电工磁性材料的基本类型

磁性材料是电工领域的基础必备材料，利用先进电工磁性材料探索和制备新型磁性材料或对已有磁性材料进行特性改进，可极大推动电工装备的持续发展和新装备的研制。先进永磁材料、非晶合金铁磁材料、软磁材料和特殊功能磁性材料等典型电工磁性材料的研究与发展，大大提高了电工装备的性能和新产品开发进度，促进电工技术的快速发展。电气装备中所涉及的磁性材料，具有特定的磁学性能^[15]。先进电工磁性材料包括传统磁材料在电工装备中的创新应用、新型磁材料在传统装备中的创新应用和由新型磁材料催生的新型电工装备。电工磁性材料广泛应用于电气工程领域，如电力变压器、电机等铁心部件，是直接影响电工装备电气性能的最关键部分。目前我国容量在280kW以下的中小型电机的设计平均效率为87%，比国际先进水平低3%～5%，提高变压器、电机等电工装备的设计水平和电能利用率十分迫切，因而研究和推广先进电工磁性材料的应用成为一个现实需求。目前，非晶合金变压器、永磁电机等已经得到广泛应用。

1.软磁材料

1960年首次利用快速冷却的方法，制备出20μm厚的Au₇₅Si₂₅非晶合金薄带试样；1979年Fe基、Co基和Fe-Ni基系列非晶合金带材诞生；1988年多种软磁性Fe基块体非晶合金问世；2012年，直径可达85mm的Pd基大块非晶合金研制成功。从早期的Pd、Au基等贵金属体系到现如今的Fe、Al基等常见金属体系，从早期尺寸较小的带材，到目前已发展到块体非晶合金^[16]。

20世纪80年代科学家Gleiter提出了纳米晶材料的概念，这在材料研究领域具有里程碑式的意义。1988年，日本日立金属公司的Yoshizawa等人在非晶合金的基础上，加入了元素Cu和Nb（铌）通过晶化处理的方法，率先成功研制出了商品号为Finemet的纳米晶软磁合金，其性能优于非晶合金。迄今为止，已发现的纳米晶软磁合金主要分为3大类：Finemet的FeCuNbSiB系合金、Nanoperm的FeMB（Cu）系合金和Hitperm的FeCoZrSiB系合金（Zr是锆）。

目前，国际上采用的非晶合金定子铁心开发研制的非晶电机，运行效率可达95%。2015年，日本东北大学金属材料研究所成功开发了FeSiBPCu系高Bs纳米晶合金宽带材的制备技术，带材的宽度可达到120mm^[17]。该团队与松下电气公司合作试制成功的高效率电机，与普通硅钢电机相比，铁损减少约70%。该团队还成功制作了200V·A的电力变压器原型机，验证了其应用于电力领域的可行性。

钴基、镍基和铁基等非晶软磁合金可广泛应用于配电变压器、电感器和传感器等。非晶合金带材铁耗极低，仅为冷轧硅钢片的1/10～1/5，甚至是1/15。非晶合金变压器比硅钢片变压器的空载损耗低70%～80%，是节能效果较为理想的配电变压器。非晶合金材料能够显著降低电机的铁耗，尤其是对于高频电机，包括移动电源用发电机、电动汽车用发电机和驱动电动机、高速主轴电动机、风机、压缩机驱动用高频电动机等，铁心损耗占电机总损耗的比例很高，使用非晶合金铁心可以明显提高效率。

2.永磁材料

稀土永磁材料自20世纪60年代问世以来，凭借其非常优异的性能，在科研、生产和应用领域一直高速发展，稀土永磁主要包括钐钴永磁体和钕铁硼永磁体。

1970年以来，烧结钐钴磁体的研究基本都是围绕Sm（Co，Cu，Fe，Zr）z高温磁体。北京钢铁研究总院2012年已研发成功在500℃时H_cj=5.5kOe，（BH）max=12.5MGOe的高温磁体。2012年8月，日本东芝公司开发了电机用烧结钐钴磁体，把磁体的铁含量从一般15wt%（重量百分比）提高到25wt%，提高磁体的剩磁。

1983年，日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司分别报道了一个含有钕（Nd）、铁（Fe）和硼（B）的新型永磁体的制备和性能，从而产生了第三代稀土永磁材料——钕铁硼磁体。进入21世纪后，烧结钕铁硼的工艺技术有了长足发展。2008年美国启动了500万美元的磁能积大于或等于717kJ/m³的新型永磁材料研究项目，推动并掀起了新一轮研究热潮。2013年4月，中科三环发表文章宣布，通过对烧结钕铁硼常规工艺的全面优化，结合新型晶界扩散工艺的采用，研制出在20℃，H_cj高达35.2kOe，同时（BH）max能保持在40.4MGOe的高性能烧结钕铁硼磁体。

目前各国的主要研究目标是双高磁性能磁体（高磁能积（BH）max和高内禀矫顽力H_cj）的制备和如何降低生产成本，以适应烧结钕铁硼磁体在风力发电、混合动力汽车/纯电动汽车等低碳经济领域中的应用要求和原材料价格上涨的新形势，同时也是为了促进稀土资源的高效应用。在2015年1月召开的第519次香山科学会议上，与会专家呼吁加强稀土磁性材料特别是永磁的相关基础科学问题研究，改变这个领域基础科研明显滞后于产业发展的现状。(www.xing528.com)

1988年，Coehoorn等人首次用熔体快淬方法制备出Nd₄Fe₇₈B₁₈非晶薄带，得到由纳米尺寸的Nd₂Fe₁₄B和Fe₃B组成的各向同性磁粉，其具有显著的剩磁增强效应，从实验上拉开了研究纳米复合稀土永磁材料的研究序幕。目前由代顿大学SamLiu领衔的研究小组制备出磁能积为440kJ/m³的各向异性全致密纳米复合磁体，这与烧结磁体处于同一水平。1991年德国的Knelter和Hawing等人从理论上阐述了软、硬磁性晶粒间的交换耦合相互作用可使纳米复合永磁材料具有硬磁特征，软磁相可以提供更高的磁化强度，可获得比单相纳米晶材料更高的磁能积。1993年，Skomski和Coey等人研究指出：取向排列的纳米复合永磁材料的理论磁能积可达1MJ/m³，远远高于目前性能最好NdFeB永磁材料的磁能积，说明纳米复合永磁材料的磁能积还有很大的提高空间。此外，通过调整硬磁和软磁相的比率，可以调整材料的综合磁性能。由于减少了合金中稀土的含量，该材料的成本大大降低。因此，许多研究者认为，纳米复合材料是硬磁材料的主要发展方向，有望发展成为新一代稀土永磁材料。

目前，纳米复合永磁材料存在的主要问题是实验值与理论值差距太大，块体纳米晶复合永磁材料的最大磁能积还没有达到当前各向异性单相永磁材料的水平。基于纳米复合永磁材料自身的特点，近几年来科学工作者从合金成分优化和工艺改进入手，力求获得尽可能满足条件的组织结构，从而进一步获得潜在的高性能。2015年5月，美国弗吉尼亚联邦大学的一研究小组宣称合成出一种新型磁性材料，该材料在磁性方面可媲美稀土制传统永磁材料，有望降低工业生产中对稀土资源的依赖。

3.其他磁性功能材料

其他磁性功能材料主要包括磁性液体材料、超磁致伸缩材料、巨磁电阻材料等。1965年，美国国家航空航天局研制了磁性液体，并应用于失重下输送液体和宇航服密封。1970年，我国几所高校和单位开始研究磁流变液。1990年，日本研制出第三代氮化铁磁性液体，具有良好的抗腐蚀性和较高磁性能。同期，北京交通大学首次制备出耐酸碱的氟碳化合物基氟醚油磁性液体。现在主要是不断发现新的应用领域，提出新的应用技术。

20世纪60年代初，Legvold等人发现稀土金属Tb和Dy在低温下磁致伸缩系数非常大，但是有序化温度很低。20世纪70年代，美国的Arthur E Clark等人发现三元稀土合金材料的磁致伸缩系数为传统磁致伸缩材料的几十倍，所以称其为超磁致伸缩材料或大磁致伸缩材料。20世纪80年代中期，开始出现了商品化的稀土超磁致伸缩材料，主要的代表为美国Edge Technologies公司生产的Terfenol-D和瑞典FeredynAB公司生产的Magmek86。1988年，巴西学者Baibich发现（Fe/Cr）多层膜的磁电阻效应比坡莫合金的各向异性磁电阻效应约大一个数量级，这立即引起了全世界的轰动。1997年，IBM公司研制出巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，达到了5Gbit/in²。2007年诺贝尔物理学奖授予了发现巨磁电阻效应的法国物理学家阿贝尔·费尔和德国科学家彼得·格伦贝格尔。目前已发现具有巨磁电阻效应的材料主要有多层膜、自旋阀、纳米颗粒膜、磁性隧道结、非连续多层膜、氧化物陶瓷和熔淬薄带等。

4.左手材料

左手材料是一种介电常数和磁导率同时为负值的材料。通过合适的单元结构设计可实现如负折射、超透镜和电磁隐身等多种奇异电磁特性。

1998～1999年英国科学家Pendry等人实现负的介电常数和磁导率。2001年，美国David Smith等物理学家首次制造出微波波段具有负介电常数和负磁导率的物质，证明了左手材料的存在。2002年7月，瑞士制造出三维左手材料。2002年12月，麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了左手材料存在的合理性。2003年，左手材料研究获得多项突破，其材料的研制被《科学》杂志评为2003年度全球十大科学进展，引起全球瞩目。2004年，复旦大学资剑等人实现了左手介质超平面成像实验，同年，加拿大科学家制造出一种左手镜片，其工作原理与具有微波波长的射线有关，这种射线在电磁波频谱中的位置紧邻无线电波。2009年，美国杜克大学与中国东南大学合作，成功研制出微波段新型“隐形衣”，同年11月成功制作出人造电磁学收集器。2013年，新加坡Zhou Y等制备出大面积三维渔网结构左手材料。

目前，左手材料的研究重点在微波和光学领域，应用集中在电磁隐身等方面，科学家预言左手材料可应用于通信系统以及资料储存媒介的设计上，用来制造容量更大的存储媒体。鉴于左手材料优异的材料特性，近年来人们已经开始探索其在低频领域的应用，主要集中于无线电能传输（WPT）和磁屏蔽两方面。左手材料能够聚集磁场并且以极高的效率将其分散到空间指定区域，从而实现自由空间区域磁场能量的大范围集中以及磁场源到给定距离点的磁传输。左手材料的这种特性能够用来提高磁场传感器的灵敏度以及实现无线电能传输方面的应用。左手材料的低频化存在固有损耗大和尺寸庞大等问题。一旦这些瓶颈问题得以突破，左手材料有望在变压器和电机等电力设备中得到应用。如平面变压器，由于射频段磁性材料低磁导率的限制，其体积一般而言相对庞大，应用高磁导率的左手材料可明显降低高频平面变压器的尺寸。