应用前景广阔的稀土永磁材料

在多种永磁材料共存的今天，稀土永磁是发展最快的，每年递增15%～19%；而铁氧体每年只递增6%，Al NiCo（铝镍钴）每年仅递增1%～22%。欧洲、美国、日本等国稀土永磁应用领域及其比例见表2.1。

表2.1　稀土永磁材料的应用领域及其比例　%

图2.2　电动车

随着汽车与电动车（图2.2）生产量以及使用扬声器数量的增加，2005年，全世界需要铁氧体永磁已增加到25万t。如果汽车电机中有50%采用黏结钕铁硼磁体，而世界生产汽车以5540万辆计算，就需要黏结钕铁硼磁体约5540t。

计算机的发展带动了相关配套元件的发展，磁盘、光盘驱动器和打印机驱动头更是使用钕铁硼最大的“用户”；多媒体音响对永磁材料的需求量也是很大的。估计到2025年世界永磁体的产值将超过100亿美元。由于IT产业的快速发展，计算机（包括显示器等外设）、网络技术产品、通信行业需要各种高档次铁氧体软磁材料，电话和移动电话装置需要越来越多的抗干扰磁芯、片式微型化电感以及传声器和扬声器磁体，为了减少发电厂二氧化硫的排放量，国际上实施绿色照明工程束节电，从而达到减少发电量，所以节能灯的应用在国外发展很迅速，需要使用大量的高档铁氧体软磁滤波磁芯、抗干扰磁芯等。

由于Nd-Fe-B系永磁体的磁性能高，原材料资源丰富，单位磁能积的成本较低，它将取代大部分Sm-Co永磁体和大部分铸造Al-Ni-Co永磁体。如果Nd-Fe-B系永磁材料的成本能进一步降低，它也可能取代一部分铁氧体永磁材料，稀土永磁材料的应用领域将进一步扩大。有人预测，Nd-Fe-B系永磁材料将会引起电机工业的革命。此外，稀土永磁材料在磁力机械、汽车、磁悬浮列车、磁化技术、自动化与计算机技术和磁疗技术（图2.3）等领域的应用将进一步扩大，其应用前景十分广阔。

2.1.3.1　在微波通信技磁疗技术术中的应用

在雷达技术、卫星通信、遥控遥测技术、电子跟踪、电子对抗技术中，需要用到磁控电子管（磁控管）、磁控行波管、阴极射线管、微波铁氧体隔离器、环行器等。所有这些器件都要用到永久磁铁产生一个恒定磁场，用于控制电子束流的运动，以便实现高频或超高频振荡、微波信号（电流、电压或功率）的放大、接收与显示的目的。

图2.3　磁疗技术

磁控行波管主要起微波信号（电压或电流或功率）放大的作用。它由电子枪、周期场聚焦磁铁管和集电极组成，周期场聚焦磁铁管由十几到几十个稀土永磁圆环形磁铁组成，相邻两磁铁的极性相反。为了达到有效的信号放大作用，对聚焦磁铁有以下三个基本要求：

（1）圆环形磁铁在轴向建立的周期场的峰值要足够高，并且均匀。

（2）温度稳定性好，峰值场随温度的变化要小。

（3）磁体尺寸要精确。

周期性的轴向峰值场H与永磁体的内禀磁能积成正比，与环形磁铁的厚度成反比。为此要求永磁材料的内禀矫顽力要高，磁感温度系数a要小。由于铁氧体材料的a大，Al-Ni-Co永磁材料的低，均不适用。稀土永磁材料是理想的行波管聚焦磁铁材料。

2.1.3.2　在电机工程中的应用

稀土永磁体的出现，意味着电机领域将引起革命性的变化。这是因为稀土永磁体没有激磁损耗，不发热，用它制造的电机优点很多。因稀土永磁电机没有激磁线圈与铁芯，磁体体积较原来磁场磁极所占空间小，没有损耗，不发热，因此为得到同样输出功率的整机体积、质量可减少30%以上，或者同样体积、质量，输出功率大50%以上。

稀土永磁材料产量的1/3左右用来制造各种永磁电机。永磁电机的品种很多，电机的容量小至几分瓦，大至数百千瓦，广泛应用于现代科学技术（图2.4）和国民经济的各个部门。永磁电机的优点是不需要励磁绕组或励磁机，省铜、省电、质量轻、体积小、比功率高。高性能稀土永磁材料的出现，特别是Nd-Fe-B系永磁材料的出现，促进了永磁电机的发展，如新型永磁智能电机（IA）具有高效率、节省资源、体积小和噪音低等优点。随着现代科学技术的发展，永磁电机的需要量将急剧地增加。

图2.4　飞机的仪表

2.1.3.3　在仪器仪表与计时装置中的应用

据统计，永磁材料的10%～15%用于制造各种磁电式仪器仪表和各种计时装置，永久磁铁是磁电式仪表的核心部件。随着永磁材料及其磁性能的不断发展与提高，特别是高（BH）m材料的出现，磁电式仪表的磁铁也由细长的U形逐渐发展成短粗型。14号以前的磁铁用低Hc的材料制造；15号以后的是用高Hc材料制造。磁电式仪表的磁路结构有两种：一种为外磁式，永久磁铁位于可动线圈的外部；另一种为内磁式，永久磁铁位于可动线圈的内部。还有一种称为内外磁结构，永久磁铁的一部分位于可动线圈的内部，另一部分位于其外部。此外，还有动铁式仪表和大角度动圈式仪表。磁电式电子钟表有两种类型：一种是摆轮式的；另一种是步进电机式的。

2.1.3.4　在电声器件中的应用

稀土永磁材料约有15%用于制造电声器件。电声器件是扬声器（喇叭）、话筒、拾音器、助听器、立体声耳机、电话接收机和电声传感器等的总称。电声器件的原理基本上是相同的。永磁体通过扼铁在磁路的环形气隙中产生一个磁场，和扬声器纸盆相连的音圈插入环形气隙中，永磁体被外部的扼铁所包围，从而可以免遭外界杂散磁场的干扰，反过来也可以减小永磁体磁场对外界的影响，当声音以电流的形式通过磁场时，线圈便会因电流强弱的变化产生不同频率的震动，进而带动纸盆发出不同频率和强弱的声音。其中磁体用稀土永磁钕铁硼代替传统的铁氧体或铝镍钴等磁体，不但能使扬声器的灵敏度提高，还可使磁体用量大大减少。在传播功率不变的情况下使扬声器做得小型化、薄型化、轻型化。由于这一特点为各种电器设备、家用电器、汽车用音响提供轻巧的可能性。例如，同样是额定功率为50W的扬声器，采用铁氧体永磁，磁体的质量为1.2kg，扬声器的总质量是2.4kg。采用稀土钕铁硼永磁，磁体质量不足50g，扬声器的总质量是750g，对比一下磁体质量，前者是后者的24倍。(www.xing528.com)

用稀土永磁体做电唱机的拾音器，可以做成动圈式，也可做成动铁式。用稀土永磁体制做的拾音器的体积只有用Al-Ni-Co制作的拾音器体积的1/6，其磁体直径约1.5mm，厚度为0.8mm。其质量轻，针尖的压力仅有Al-Ni-Co制作的1/10，放音质量好。

2.1.3.5　在磁力机械方面的应用

磁力机械是稀土永磁出现后而逐渐发展起来的一个新的应用领域。磁力机械包括磁力传动器或磁性“齿轮”、磁制动器、磁夹具、磁力打捞器、磁性轴承、磁力泵、磁性阀、磁封门和磁锁等。据1982年的统计，在磁力机械方面，各个国家和地区应用稀土永磁材料的比重为：美国占15%；欧洲占18%；日本占5%。稀土永磁材料在这一领域的应用还在开拓与发展之中，斥力或异极性的吸引力。

磁力轴承主要应用于人造卫星、宇航器、高速飞行器的陀螺仪、超高速离心机、纺织机的涡轮机、电量计、特别用途电机、精密仪器和电度表等。人造卫星或航天器一般在真空条件下工作。在真空条件下机械轴承面临严重的润滑和磨损的问题，它决定了人造卫星与高速飞机的寿命。而磁性轴承没有摩擦，不需要润滑，因而可长期使用。

2.1.3.6　在交通运输工程中的应用

利用同磁极相互排斥的原理而制造的列车称为磁悬浮列车（图2.5）。这种列车的主轮与轨道是不接触的，它依靠磁性排斥力把车身悬浮起来。这种列车在运行过程中速度快，时速可达500km/h，而一般钢轨列车速度小、于300km/h，此外无摩擦，无噪音，是未来理想的交通工具。

图2.5　上海的磁悬浮列车

磁体与永磁体之间的有斥力与永磁体的内禀磁能积或它们的磁化强度的乘积成正比。SmCo5和Nd-Fe-B永磁体的磁化强度分别比铁氧体的高约2倍或4倍。在相同条件下，SmCo5和Nd-Fe-B永磁体各自的同极有斥力分别是铁氧体的4倍和16倍。

现代汽车需要使用许多种磁体，对启动电机和刮水器电机，从性能价格比来考虑，主要使用铁氧体永磁材料，在制动器和传感器上主要使用高性能Sm-Co系和Nd-Fe-B系烧结磁体。在汽车仪表上过去多用温度特性好的Al-Ni-Co磁体。但现在几乎都用黏结磁体。在速度表和转数表上已使用各向同性Nd-Fe-B系黏结磁体，在温度表和燃料表上多用铁氧体黏结磁体。在仪表上过去多用单一黏结磁体，但今后将充分利用黏结磁体的形状特性，积极开发与构成磁路的扼铁形成一个整体成形部件，其用途必将进一步扩大。因此，对于具有高能积的HDDR-Nd FeB和SmFeN系各向异性黏结磁体耐热性的要求也在不断提高。

在电力汽车用电机方面，在各种型式的电机系列中永磁式同步电动机（直流无刷电机）是效率最好的。所用的磁体从性能价格比来考虑多选用Nd-Fe-B系烧结磁体。在此种场合，也要重视耐热性和可靠性，应选用高于1600k A/m的内禀矫顽力大的磁体。另外，为了延长电池使用寿命，对于汽车的各种部件也都要求高效率化，要求使用高性能黏结磁体。不仅仅对于永磁体，就连构成电磁制动器等磁路的软磁材料也要求高性能化。

在汽车上使用的Nd-Fe-B系烧结磁体以产生3%不可逆退磁的温度作为其耐热性指标，发现磁体的耐热性越好，内禀矫顽力也越优良，但磁能积越高的磁体往往耐热性越有变差的倾向。因为随着加热而发生的磁通量变化对应于磁畴结构的变化，所以通过晶粒细化和磁畴构造的控制也可望提高磁体耐热性。

2.1.3.7　在磁分离技术中的应用

利用磁性方法将铁磁性物质与非铁磁性物质或将磁性原子（离子）或磁性分子与非磁性原子（离子）或非磁性分子分开的技术称为磁分离技术。磁分离技术在选矿、原材料处理、水处理、垃圾处理、化学工业、食品工业中得到了应用，并且其应用范围还将日益大。

在日常生活中，经常会看到水的结垢现象，这是由于水中溶解的钙镁碳酸氢盐在加热时会形成钙镁碳酸盐沉淀，水的硬度越大，结垢越多。水垢不但严重影响热量传递，降低各种热交换器的传热效率，增加能耗，还会造成管道堵塞。为此，许多工业和生活用水都需要预先进行软化处理。通常采用的办法有离子交换法和加药化学软化法，既费时费力，又消耗材料。采用钕铁硼强磁水处理器，常常可以代替上述的软化处理方式，同样能起到防垢除垢作用。

磁化水除垢的机理是：水经磁水器处理后，单个水分子的数量增多，水分子的活动更自由，水的溶解度提高，黏滞力降低，渗透性增强，促使水容易渗透到块垢的微细间隙中。另外，磁化水和溶液器壁上的水垢接触时，会引起水垢结构中的结晶水的数量发生变化，使硬水中的硬盐晶格结构改变和破坏，导致旧垢和器壁的结合部位被浸透、破裂、剥离、脱落，这样就达到了除垢的目的。

2.1.3.8　在磁化技术中的应用

利用磁场对物质进行磁化作用，改变被磁化物质的键状态或原子、电子组态，促进物质的化学反应，促进燃燃烧；或改变物质的结晶形态或凝固点，这一技术称为磁化技术。磁化技术已越来越为人们所认识并重视。磁化水能防治人体内的“结垢”，经常饮用磁化水，对防治泌尿系统等体内结石、改善消化功能都具有一定效果，因此有许多矿泉壶和磁水杯也采用钕铁硼永磁体对水进行磁化。由于磁化水活性高、溶解性和渗透性好，把稀土永磁磁化水用于农牧林业浇灌和家禽家畜饲养，也有明显的增产增收效果。

对磁化减烟节油器，燃油（汽油、柴油等）在燃烧前从磁化减烟节油器的磁场中通过，然后输入燃烧室进行燃烧。其结果是燃烧得更加完全，节油约3%～8%，排烟减少80%，减少了对环境的污染。磁化减烟节油器已在汽车、轮船、火车、拖拉机、工业燃油炉中得到了广泛应用。

在石油开采过程中，原油中含的蜡在一定的温度下要凝固，粘在输油管壁上将输油管堵塞。每隔一段时间要用热水冲洗，严重地影响了原油的生产。在输油管上装上永磁体做的磁化防蜡器后，原油中含的蜡不再凝固，并降低了原油黏度，大大地促进了油井原油的开采。

2.1.3.9　在磁疗与健身器械方面的应用

人类赖以生存的地球拥有庞大的磁场。人体内充满着铁磁性物质，有生物电流也有生物磁场，当受到强大磁场刺激时，会产生许多微妙的生物反应，由此产生了医学上的磁诊断和磁场疗法。

医院里用的核磁共振成像仪是比CT还要精密的新型诊断设备。组成人体细胞的各种元素的原子核都具有核磁矩，在一定的强磁场下会产生共振，因此，利用人体正常细胞组织与病变组织共振弛豫时间不同，经过精密的断层扫描分析，利用反映出的图像差异来观察就能诊断出早期微小的病变。但该设备需要有强大的磁场系统支撑。若采用超导磁体，需要配备昂贵的超低温系统，安装维修十分复杂；而采用普通铁氧体磁钢，则需要几十吨甚至上百吨的磁体来组装成一个庞然大物。采用高性能钕铁硼永磁材料就可以克服上述缺点，只需要2～3t磁体，整体重复和体积大大减少，在保证高质量和高分辨率的条件下，实现了设备的小型化和轻型化，有利于推广使用。

稀土永磁材料还被广泛应用于磁场疗法，即通常所说的“磁疗”。“磁疗”是利用磁场作用于人体组织或一定穴位进行治疗疾病的理疗方法。对于肌肉组织损伤和皮下淤血水肿等病症可采用阿是穴（即损伤部位）强磁按摩或旋转交变动磁疗法。对于其他病症则以中医经络学说为基础，用强磁场产生的磁力线代替针灸来刺激穴位以达到治病的目的。也可以采用静磁贴敷疗法，或者与真空拔罐结合制成“哈磁五行针”或强磁磁提针，用强磁场刺激穴位来治疗疾病。利用强磁场刺激穴位可以起到疏通经络、调节神经和促进气血运行的作用，用于治疗软组织急慢性扭挫伤等病症效果尤为明显。强磁场可以促进机体的血液循环，加强新陈代谢，起到良好的消炎镇痛作用。采用磁穴位法，对于肩周炎、关节炎、气管炎、神经痛、高血压和某些心脑血管慢性疾病具有一定疗效，其效果与患者对磁的敏感性有关。稀土永磁强磁“磁疗”虽然不能包治百病，但由于不用吃药打针、无痛苦和毒副作用，很受患者的欢迎。

钕硼永磁材料所拥有的超强磁力还被用于口腔科用来矫正牙齿和用于外科用来吸取铁磁性异物（如眼睛或其他部位不慎进进铁屑或铁砂等）。这种利用强磁吸铁的办法甚至被用于给牲畜治病，如黄牛和奶牛常因误食铁钉或铁丝而导致创伤性胃炎，死亡率很高，在我国每年因此致死的牛多达几十万头。用钕铁硼制造的牛胃恒磁吸引器可以毫不费力地把牛误食的铁质杂物吸取出来，为防治牛的创伤性胃炎创出了一条新路。

稀土永磁体还是制造各种磁疗保健器的理想材料，如磁疗鞋、磁疗帽、磁疗腰带和磁疗床垫等，还可制成磁疗项链、磁疗手表和磁疗戒指等具有保健功能的磁疗保健装饰品。在当今市场上众多的磁疗产品中，往往是采用稀土永磁材料制作的才有良好的效果。