楊慶新 李永建

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先進電工磁性材料特性與應(yīng)用發(fā)展研究綜述

楊慶新1,2李永建2

（1. 天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點實驗室 天津 300387;2. 河北工業(yè)大學(xué)電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室 天津 300130）

人類對能源需求的日益增長和資源環(huán)境的逐步惡化，使得充分發(fā)展新材料，特別是在電機、變壓器等電工裝備中廣泛使用的先進電工磁性材料，以期節(jié)能降耗，已經(jīng)成為全球共識。以電工鋼片、軟磁復(fù)合材料等為代表的電工磁性材料的創(chuàng)新發(fā)展及其應(yīng)用，已經(jīng)成為電氣工程領(lǐng)域不可阻擋的趨勢，對電力系統(tǒng)深層次的影響亦愈發(fā)凸顯，各國學(xué)術(shù)界和工程界均給予極大關(guān)注。本文全面綜述國內(nèi)外當(dāng)前典型先進電工磁性材料的特性與發(fā)展，并厘清進一步的研發(fā)思路與方向。本文從先進電工磁性材料的分類、特性及其應(yīng)用和發(fā)展趨勢角度，重點討論了先進電工磁性材料可能及潛在的發(fā)展需求及態(tài)勢，供讀者參考。

先進電工磁性材料 磁特性 發(fā)展趨勢 綜述

0 引言

在人類文明日趨進步的今天，對電能的使用達(dá)到了新的高峰，但這也導(dǎo)致了人們對化石能源枯竭、能源安全和環(huán)境惡化的擔(dān)憂。許多國家已經(jīng)開始著手發(fā)展新材料，以期在輸出和使用電能的電工裝備中節(jié)能降耗，一個以先進電工磁性材料創(chuàng)新發(fā)展與應(yīng)用為標(biāo)志的電氣工程新時代已經(jīng)到來。

所謂先進電工磁性材料主要是指其具有優(yōu)異的電氣和機械等應(yīng)用特性參數(shù)。隨著先進電工磁性材料在電工裝備中的應(yīng)用越來越廣泛，發(fā)揮的作用也日漸突出，它們的特性與發(fā)展及對電氣工程相關(guān)領(lǐng)域的影響也引起了人們的極大關(guān)注[1-8]。先進電工磁性材料呈現(xiàn)“高頻率、高磁密、低損耗”以及“輕質(zhì)、微型化、多功能”兩種發(fā)展模式并存的格局，對電力系統(tǒng)的影響無論從深度還是廣度都將是深遠(yuǎn)且巨大的，國內(nèi)外工程界和學(xué)術(shù)界的研究亦是熱度不減、成果頻出。

本文著重對電工領(lǐng)域中應(yīng)用的8類典型電工磁性材料：包括電工鋼片、永磁材料、軟磁鐵氧體、軟磁復(fù)合材料、非晶納米晶、磁致伸縮材料、磁性液體及特種功能磁性材料的特性、應(yīng)用與發(fā)展趨勢進行全面綜述，目的在于從多個角度對先進電工磁性材料的磁特性現(xiàn)狀、應(yīng)用與潛在發(fā)展趨勢進行梳理和分析，為后續(xù)開展更為深入的研究提供借鑒與參考。

1 先進電工磁性材料的分類

1.1 電工鋼片

電工鋼片為一類含碳量很低的硅鐵軟磁合金，是由含硅量0.5%～4.5%的硅鋼坯軋制而成的薄板鋼材，呈片層或者卷帶狀，厚度在1mm以下，于1900年由英國人哈德菲爾德（R. A. Hadfield）等首先發(fā)現(xiàn)。硅的加入主要是提高鋼板的電阻率、降低鐵心損耗、減小磁晶各向異性等。電工鋼片正朝著超薄、高磁感應(yīng)前度、低損耗的方向發(fā)展，也逐漸成為一個國家鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志[9]。

1.2 永磁材料

永磁材料具有剩余磁感應(yīng)強度r高、矯頑力c高、最大磁能積()max高、磁滯回線寬的特點，是一種一經(jīng)磁化即能保持恒定磁性的材料，又稱硬磁材料。

稀土永磁材料作為一種重要的功能材料，是眾多磁性功能器件的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于其較高的磁性能不僅使得高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中的磁器件高效化、小型化和輕量化，而且在一些新興領(lǐng)域也得到了較為廣泛的應(yīng)用?？梢哉f，其應(yīng)用程度是一個國家或地區(qū)科學(xué)研究水平和應(yīng)用技術(shù)高低的重要標(biāo)志[10]。

常用的永磁材料主要有釹鐵硼（NdFeB）、鋇鐵氧體（Ba-Ferrite）、鍶鐵氧體（Sr-Ferrite）、鋁鎳鈷（AlNiCo）和釤鈷永磁（SmCo2∶17型和SmCo1∶5型）。

1.3 軟磁鐵氧體

軟磁鐵氧體是指以Fe2O3為主要成分的亞鐵磁性氧化物，與其他金屬氧化物混合在一起通過粉末冶金的方法制備而成的矯頑力小、易磁化的功能磁性材料，是鐵氧體材料中發(fā)展最早的一類材料，也是目前各種鐵氧體中用途較廣、數(shù)量較大、品種較多、產(chǎn)值較高的一種鐵氧體[11-13]。它具有高的本征電阻率，所以在交流應(yīng)用條件下具有很多金屬軟磁材料無法比擬的優(yōu)越性，并且價格低廉。常用的有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等幾類，其中Mn-Zn鐵氧體的產(chǎn)量和用量最大，Mn-Zn鐵氧體的電阻率低，為0.1～20W·m，頻率一般在100kHz以下；Ni-Zn鐵氧體具有很高的電阻率，達(dá)104～106W·m，應(yīng)用在高頻領(lǐng)域，比如電力電子變換裝置中的高頻變壓器。

1.4 軟磁復(fù)合材料

軟磁復(fù)合材料（Soft Magnetic Composite Materials, SMCs）是一種以高純度鐵粉為原料，在鐵粉顆粒表面包裹絕緣介質(zhì)層后，采用粉末冶金工藝將粉體壓制成所需形狀，并通過熱處理而得到的塊狀材料，如圖1所示。具有各向同性、低渦流損耗和加工形狀多樣性等優(yōu)點，非常適合作為電機鐵心材料，特別是在中高頻工作條件下的三維磁通電機。近年來SMCs領(lǐng)域的文獻越來越多，報導(dǎo)了相關(guān)成果，特別是對SMCs的磁特性進行了精確的測量，并建立了該材料的應(yīng)用特性模型[14,15]。

圖1 SMCs材料結(jié)構(gòu)和表面絕緣的鐵粉顆粒

1.5 非晶、納米晶軟磁材料

非晶合金是指固態(tài)時原子的三維空間呈拓?fù)錈o序排列，這種狀態(tài)在一定溫度范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定的合金，又被稱為金屬玻璃或玻璃態(tài)合金，于1960年由Duwez教授利用快淬工藝成功制備[16]。非晶軟磁材料由于不存在晶粒結(jié)構(gòu)，沒有磁各向異性，且不存在阻礙疇壁移動的晶界、位錯，因而磁導(dǎo)率較高、矯頑力較低，具有優(yōu)良的綜合軟磁性能。1988年Yoshizawa教授在非晶合金的基礎(chǔ)上開發(fā)了納米晶合金，它是一種晶粒尺寸在1～100nm的單相或多相多晶合金，實際生產(chǎn)中一般是通過非晶加熱晶化后得到，可分為Fe基、Co基和Ni基三種[17]。它們所展現(xiàn)出的良好磁性能和耐磨耐腐蝕特性使其正逐漸取代傳統(tǒng)的硅鋼材料，也使電力電子行業(yè)逐漸向著節(jié)能高效的方向發(fā)展。

1.6 磁致伸縮材料

自1842年Joule發(fā)現(xiàn)焦耳效應(yīng)，即磁致伸縮效應(yīng)之后，人們便開始了對磁致伸縮材料的研究[18]。磁致伸縮效應(yīng)，是指磁性材料在磁場方向會發(fā)生伸長和縮短，通常用磁致伸縮系數(shù)來表征其形變程度。硅鋼片的磁致伸縮會導(dǎo)致電機或變壓器等發(fā)生振動。超磁致伸縮材料在磁場作用下發(fā)生相對較大形變，產(chǎn)生位移而做功或因反復(fù)伸長與縮短產(chǎn)生聲波，從而實現(xiàn)電磁能與機械能或聲能的相互轉(zhuǎn)化，受到了各國科學(xué)界和工業(yè)界的高度關(guān)注[19]。

1.7 磁性液體

磁性液體（Magnetic liquid），也稱鐵磁流體（Ferro-fluid）或磁流體（Magnetic fluid），是一種將納米級鐵磁材料顆粒利用表面活性劑均勻穩(wěn)定地分散在某種液態(tài)載體之中，所形成的穩(wěn)定膠體懸浮液[20]，如圖2所示。磁性液體是一種新型的功能材料，在外磁場的作用下被磁化，通常顯示超順磁特性，它兼有磁性和液體的流動性雙重性質(zhì)，還具有非常獨特的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)以及聲學(xué)特性[21]。正因如此，它實際應(yīng)用廣泛，在理論上也具有很高的學(xué)術(shù)研究價值。

圖2 磁性液體結(jié)構(gòu)示意圖

1.8 特種功能磁性材料

早在1856年，Thomson發(fā)現(xiàn)了在鐵磁材料平行于電流方向的電阻率比垂直于電流方向的電阻率大，這種現(xiàn)象被稱為各向異性的磁阻效應(yīng)（Anisotropic Magnetoresistance, AM），盡管該效應(yīng)不是很顯著（約2%），但是由于簡便性而應(yīng)用于磁場傳感器中[22]?；谶@種效應(yīng)，在外磁場的作用下電阻發(fā)生顯著變化的功能磁性材料稱為巨磁電阻材料（Giant Magneto Resistance, GMR）。

左手材料（left handed materials或metamaterials）特指一種電磁特性與天然材料迥異的亞波長人工材料，其介電常數(shù)與磁導(dǎo)率可同時為負(fù)，這類材料又被稱為負(fù)折射率材料或雙負(fù)材料[23]。還有一類材料的介電系數(shù)與磁導(dǎo)率兩個參數(shù)僅有一個為負(fù)，這類材料被稱為單負(fù)材料，包括負(fù)電和負(fù)磁材料。左手材料與傳統(tǒng)的電工磁性材料有很大的互補性。2010年，《科學(xué)》雜志評選左手材料為過去10年中人類最重大的十大科技突破之一。2012年，美國國防部把左手材料列為未來“六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”的首位。

2 先進電工磁性材料的特性及其應(yīng)用

2.1 電工鋼片的特性及其應(yīng)用

根據(jù)生產(chǎn)加工工藝的不同，電工鋼片有熱軋和冷軋之分。熱軋電工鋼片主要用于發(fā)電機制造，但由于其可利用率低、能耗大，已逐步被淘汰；冷軋電工鋼片具有表面平整、厚度均勻、疊裝系數(shù)高、沖片性好、磁感應(yīng)強度高、鐵損低等優(yōu)點。

根據(jù)組織結(jié)構(gòu)的不同，冷軋電工鋼片又有非晶粒取向和晶粒取向之分。非取向電工鋼片通過特定的生產(chǎn)工藝在軋制過程中使晶粒取向分布均勻，供應(yīng)態(tài)多為0.35mm和0.5mm厚的鋼帶，多用來做家用電器、微小電機、鎮(zhèn)流器、小變壓器、發(fā)電機的鐵心；取向電工鋼片在軋制過程中使晶粒趨向于一致，與非取向電工鋼片相比，其在易磁化軸上具有優(yōu)越的高磁導(dǎo)率和低損耗特性[24,25]。與熱軋電工鋼片相比，冷軋電工鋼片的鐵損僅為其一半左右，磁導(dǎo)率卻為其2.5倍，可減少變壓器電能消耗量45%～50%，多用于變壓器鐵心的制造。

根據(jù)取向度和磁性的不同又可分為普通取向和高磁感應(yīng)強度取向硅鋼片兩種。后者在易磁化的軋制方向上具有更低的取向度、鐵損及磁致伸縮值，且應(yīng)力敏感性更小，故其鐵損比普通取向電工鋼片更小。同時在弱磁場條件下也具有高的磁性能，應(yīng)用頻率通常在400Hz以上。新近發(fā)展的超薄硅鋼片和層狀復(fù)合電工鋼薄帶可應(yīng)用于更高頻率場合，有些甚至高達(dá)2MHz，主要應(yīng)用于電信與儀表工業(yè)中的各種變壓器、扼流圈等電磁元件。

2.2 永磁材料的特性及其應(yīng)用

永磁材料主要包括永磁合金、鐵氧體和稀土永磁材料三大類[26,27]。

1）永磁合金，區(qū)別于其他材料的一個重要特征是矯頑力高，又可分為：

（1）鋁鎳鈷系永磁合金。以鐵、鎳、鋁元素為主要成分，還含有銅、鈷、鈦等元素。具有高剩磁、低矯頑力和低溫度系數(shù)，磁性穩(wěn)定，分鑄造合金和粉末燒結(jié)合金兩種?，F(xiàn)多用于儀表工業(yè)中制造磁電系儀表、微特電機、繼電器等。

（2）鐵鉻鈷系永磁合金。以鐵、鉻、鈷元素為主要成分，還含有鉬和少量的鈦、硅元素。其加工性能好，可進行冷熱塑性變形，從而制成管材、片材或線材等供特殊應(yīng)用，磁性類似于鋁鎳鈷系永磁合金，并可通過塑性變形和熱處理提高磁性能。用于制造各種截面小、形狀復(fù)雜的小型磁體元件。

2）鐵氧體，是由鐵族元素和其他一種或幾種適當(dāng)?shù)慕饘僭亟M成，經(jīng)預(yù)燒、破碎、制粉、壓制成型、燒結(jié)和磨加工而成。由于其不含貴金屬鎳、鈷等，原材料來源豐富、工藝簡單、成本低，可代替鋁鎳鈷永磁體制造磁分離器、磁推軸承、微波器件等，但不宜作測量儀表及有精密要求的磁性器件。

目前，鐵氧體磁性器件正向小型化、集成化和高頻化發(fā)展，相應(yīng)地對鐵氧體材料的性能也提出來新的要求。隨著頻率的增加，鐵氧體材料內(nèi)部會產(chǎn)生嚴(yán)重的渦流損耗。這已成為限制其應(yīng)用的重要瓶頸。為此，有關(guān)高頻鐵氧體和微波鐵氧體的研究已越來越成為先進鐵氧體器件的重要發(fā)展方向。

3）稀土永磁材料，是目前綜合性能最高的一種永磁材料，如圖3所示。它的磁性能比19世紀(jì)使用的磁鋼高100多倍，比鐵氧體、鋁鎳鈷性能優(yōu)越得多，比昂貴的鉑鈷合金還高一倍[28]。具有高磁特性、直線退磁特性、耐溫高和溫度穩(wěn)定性較好等特點，在汽車電機等中廣泛應(yīng)用。

圖3 稀土永磁材料

2.3 軟磁鐵氧體的特性及其應(yīng)用

軟磁鐵氧體一般可分為三大類：功率鐵氧體、高磁導(dǎo)率鐵氧體和抗電磁干擾鐵氧體。功率鐵氧體的主要特征是在高（或較高）頻率的磁感應(yīng)強度下，仍保持很低的功率損耗，且不隨溫度的升高而急劇增加，在60～100℃有最小值，從而使磁心處于一種良性循環(huán)[29,30]。功率鐵氧體主要用于各種開關(guān)電源變壓器和以彩電的回掃變壓器為代表的功率型感性器件中，應(yīng)用范圍十分廣泛，是目前產(chǎn)量最大的軟磁鐵氧體材料。高磁導(dǎo)率鐵氧體的主要特征是起始磁導(dǎo)率很高，在弱場下具有較低的損耗因子。高磁導(dǎo)率鐵氧體主要用于寬頻帶電感器、脈沖變壓器和電子鎮(zhèn)流器中。抗電磁干擾鐵氧體的主要特征是利用鐵氧體材料的電磁損耗機理，對電磁干擾信號進行大量吸收，達(dá)到抗電磁干擾的目的，主要用于電感器、抗電磁干擾濾波器、抑制器和片式電感器等。

此外，由于軟磁鐵氧體具有較高的電阻率、機械加工性能好、易于壓模成型、穩(wěn)定性好和成本低等優(yōu)點，在熒光燈的電子整流器、汽車和船舶的電子打火器、電磁傳感器、高頻焊接、高頻熱處理、超聲探測器及電磁波吸收等方面也有廣泛應(yīng)用[31]。

2.4 軟磁復(fù)合材料的特性及其應(yīng)用

SMCs材料具有如下優(yōu)點[32,33]：

（1）磁各向同性。SMCs材料由鐵粉顆粒經(jīng)過特殊生產(chǎn)工藝制成，決定其具有磁各向同性，這大大增加了設(shè)計自由度，單位重量可獲得更大轉(zhuǎn)矩以及更大的填充率，實現(xiàn)重量更輕、體積更小的目的。

（2）低渦流損耗。因為鐵粉顆粒之間彼此絕緣，材料電阻率較大，降低了渦流損耗，使得其更適合應(yīng)用在高頻部件中。

（3）更好的形狀特性。SMCs材料經(jīng)過壓制而成，可以形成各類復(fù)雜的形狀，且表面光滑，不必因擔(dān)心棱角割破導(dǎo)線而配置厚絕緣層。

（4）成本低，方便回收。SMCs壓制過程簡單，而且沒有邊角浪費，減小了生產(chǎn)成本。SMCs的粉末狀結(jié)構(gòu)使得其在回收時，將部件壓碎，用磁選即可簡便地分開銅繞組與鐵。

同時，SMCs材料存在以下缺點[34]：

（1）磁導(dǎo)率低、磁滯損耗大。SMCs材料的磁導(dǎo)率比硅鋼片小，一般相對磁導(dǎo)率的最大值在500左右，適合用在對鐵心磁導(dǎo)率要求不高的電機中，例如永磁電機、交流換向器電機中，而不適于異步電機、磁阻電機等對鐵心磁導(dǎo)率要求較高的電機中。其物理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其磁滯損耗比硅鋼片大得多，因此在低頻場合SMCs的總損耗要比硅鋼片大。隨著頻率提高，渦流損耗逐漸成為總損耗的主要部分，SMCs的優(yōu)勢方能得以體現(xiàn)，具體見表1。

表1 幾種常見SMCs材料與電工鋼片磁性能對比

Tab.1 Magnetic properties comparisons among several common SMCs and electrical steel sheets

（2）機械強度低。旋轉(zhuǎn)電機對機械強度的要求隨著轉(zhuǎn)子尺寸和轉(zhuǎn)速的增大而提高。SMCs顆粒表面存在絕緣層，不能進行高溫?zé)Y(jié)，故具有機械強度低于疊層或高溫?zé)Y(jié)材料的弱勢。

2.5 非晶、納米晶的特性及其應(yīng)用

非晶合金具有以下優(yōu)良特性：

（1）高磁導(dǎo)率、低損耗。與傳統(tǒng)的金屬磁性材料相比，非晶合金沒有晶體的各向異性，而且電阻率高（約為120～190×10-8），具有高的磁導(dǎo)率（鐵氧體的10倍以上）、低的損耗（硅鋼片的1/10～1/5，鐵氧體損耗的1/5～1/2），是優(yōu)良的軟磁材料。

（2）高強韌性。非晶合金具有優(yōu)良的韌性和耐磨性，可以制造各種磁頭和磁心加強件。

（3）耐腐蝕。由于非晶態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)均勻，在與表面有關(guān)的特性（如腐蝕和催化）方面，非晶態(tài)合金被認(rèn)為是理想的化學(xué)均勻合金。

（4）綠色材料。變壓器所用的鐵基非晶合金主要制造方法是在煉鋼之后直接噴帶，工藝大大簡化，節(jié)約了大量寶貴的能源，同時無污染物排放，對環(huán)境保護非常有利[35,36]。

與對應(yīng)的非晶材料相比，納米晶合金表現(xiàn)出更佳的強度、硬度，更良好的韌性，更小的彈性模量和延展性，更好的擴散性，更高的比熱，更大的熱膨脹系數(shù)，更優(yōu)良的軟磁性特點。納米晶合金現(xiàn)已大規(guī)模應(yīng)用于配電變壓器、電感器及磁性傳感器等功能器件。

2.6 磁致伸縮材料的特性及其應(yīng)用

磁致伸縮材料是一類具有磁致伸縮效應(yīng)的磁（電）-機械能轉(zhuǎn)換材料，其特性如下[37]。

（1）焦耳效應(yīng)。由于磁化狀態(tài)的改變，其長度和體積會發(fā)生微小的變化?？捎脕碇谱鞔胖律炜s致動器。

（2）磁致伸縮逆效應(yīng)（維拉里效應(yīng)）。在磁場中，給磁體施加外力作用，由于形狀變化，導(dǎo)致磁化強度發(fā)生變化?？捎糜谥谱鞔胖律炜s傳感器。

（3）D效應(yīng)。磁致伸縮材料由于磁化狀態(tài)的改變而引起自身楊氏模量發(fā)生變化的現(xiàn)象。可用于聲延遲線。

（4）維德曼效應(yīng)。在磁性體上施加適當(dāng)?shù)拇艌?，?dāng)有電流通過時磁性體發(fā)生扭曲變形的現(xiàn)象?？捎糜谂まD(zhuǎn)電動機。

（5）維德曼逆效應(yīng)。使磁體發(fā)生機械扭曲，則在二次線圈中產(chǎn)生電流?？捎糜谂まD(zhuǎn)傳感器。

（6）跳躍效應(yīng)。當(dāng)磁致伸縮材料外加預(yù)應(yīng)力時，磁致伸縮呈跳躍式變化，磁化率也發(fā)生變化。

此外，基于巨磁致伸縮材料的巨大優(yōu)越性，已經(jīng)成功制造了電-聲換能器、電-機換能器、驅(qū)動器、傳感器和電子器件等，廣泛應(yīng)用于海洋、地質(zhì)、航空航天、運輸、加工制造、醫(yī)學(xué)、計算機、機器人、儀器、電子及民品等技術(shù)領(lǐng)域[38]。當(dāng)然，硅鋼片的磁致伸縮導(dǎo)致的變壓器或電機的鐵心振動應(yīng)當(dāng)是要采取措施減弱的，這也是目前研究熱點。

2.7 磁性液體的特性及其應(yīng)用

磁性液體具有如下特性[39]：

（1）軟磁體的磁性和液體的流動性。

（2）穩(wěn)定的膠質(zhì)分散體。

（3）無剩磁，矯頑力為零。

（4）磁液系統(tǒng)總磁矩為零。

（5）磁粘效應(yīng)。無外加磁場，基載液的濃度和表面活性劑的含量都會影響磁性液體的粘度，含量越大，粘度越大。外加磁場時，磁場的大小和方向都會影響磁性液體的粘度，且外場方向與磁性液體的渦旋矢量方向垂直時，影響最為明顯，并隨著磁場強度的變大粘度越大[40]?？梢杂脕碇圃鞙p振器。

（6）磁光效應(yīng)。當(dāng)外加磁場垂直于磁性液體薄膜時，磁性液體的折射率會隨外界磁場的變化而相應(yīng)變化。可以用來制作光開關(guān)。

（7）阻尼特性。在振動過程中，磁性液體之間的摩擦及磁性液體與外殼之間的摩擦消耗能量；或者與減振器外殼接觸受壓產(chǎn)生彈性變形消耗能量。可以用來制造減振器。

磁性液體主要應(yīng)用于密封。近年來正在迅速向傳感領(lǐng)域發(fā)展，比如在加速度傳感器或傾斜角傳感器等方面的應(yīng)用。

2.8 特種功能磁性材料的特性及其應(yīng)用

巨磁電阻材料的特性如下：

（1）電阻值與鐵磁性材料薄膜層的磁化方向有關(guān)，電阻在很弱的外加磁場下具有很大的變化量。

（2）電阻隨外加磁場強度的改變而發(fā)生顯著變化，變化率一般達(dá)百分之幾，也有達(dá)百分之幾十的。這種磁電阻變化在納米薄膜材料中比較顯著。

巨磁阻效應(yīng)可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機床、汽車導(dǎo)航、大數(shù)據(jù)存儲硬盤、非接觸開關(guān)和旋轉(zhuǎn)編碼器中。此外，基于磁阻效應(yīng)和磁阻抗效應(yīng)也制成了多種磁場、位移、角度檢測傳感器，在航空航天領(lǐng)域及交通運輸檢測系統(tǒng)等都有廣闊的應(yīng)用[41]。

左手材料具有負(fù)相速度、負(fù)折射率、理想成像、逆Doppler頻移、反常Cerenkov輻射等奇異的物理性質(zhì)，顛倒了物理學(xué)的“右手規(guī)律”，逐步在光調(diào)控與太赫茲器件、微波成像、電磁測量與傳感和雷達(dá)隱身與無線電能傳輸技術(shù)中開始應(yīng)用[42]。

3 先進電工磁性材料的發(fā)展趨勢

3.1 電工鋼片的發(fā)展趨勢

為順應(yīng)高頻、輕質(zhì)、低損耗趨勢，非晶粒取向電工鋼片不但要在性能效率上進一步提高，還要開發(fā)出特殊性能的非取向電工鋼。近年來，美、日等國致力于高磁感應(yīng)強度、低鐵損、磁致伸縮小的冷軋取向電工鋼的研發(fā)[43-45]。隨著中國大規(guī)模的電力建設(shè)，國內(nèi)電工鋼的需求量也在劇增，如圖4所示。

圖4 中國內(nèi)地和全球冷軋電工鋼生產(chǎn)的發(fā)展

此外，電工鋼片需要進一步提高其涂層的附著性，且應(yīng)滿足環(huán)保要求[46]。特殊變壓器、電抗器等可能會使用薄規(guī)格的非取向電工鋼、取向極薄帶、高硅鋼薄帶或者無硅電工鋼片等。這其中的佼佼者則屬于層狀復(fù)合電工鋼薄帶的出現(xiàn)。

層狀復(fù)合電工鋼薄帶是電工鋼的尖端產(chǎn)品，其組織結(jié)構(gòu)特征為表層硅含量高（6.5%Si），中心層硅含量相對較低（0～3.5%Si），在復(fù)合界面處硅濃度呈連續(xù)梯度變化[47]。這樣的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)分布帶來了相比于其他諸如硅濃度均勻分布的取向和非取向電工鋼更為優(yōu)異的電磁性能，比如可以顯著降低高頻鐵心損耗等。

之所以高頻下層狀復(fù)合電工鋼薄帶具有超低的鐵心損耗，原因在于[48]：

（1）硅含量小于6.5%時，電工鋼的電阻率和磁導(dǎo)率均隨硅含量的增加而顯著增大。

（2）高頻下電工鋼鐵心損耗的主要來源是渦流損耗。

（3）層狀復(fù)合電工鋼薄帶由表層到中心層的磁導(dǎo)率梯度可形成梯度感應(yīng)磁場，在高頻下改善了趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的渦流分布，從而充分發(fā)揮高硅層高電阻率顯著降低渦流損耗的作用。

基于這些優(yōu)越特性，層狀復(fù)合電工鋼薄帶可應(yīng)用于核電安注箱、化工原料儲罐、電梯轎廂裝飾板等特殊工程領(lǐng)域。

3.2 永磁材料的發(fā)展趨勢

近年來，永磁材料的發(fā)展最具代表性的是稀土永磁材料，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)成功了第三代稀土永磁材料（Nd2Fe14B），也是目前應(yīng)用最廣的稀土永磁。第四代為Sm2Fe17N3，但目前尚未進入商業(yè)化生產(chǎn)階段。由于Sm儲量稀少，僅用于高端軍用市場。

稀土永磁材料作為最新一代的永磁體，具備高效節(jié)能的優(yōu)勢，發(fā)展前景廣闊。而稀土永磁體主要為釹鐵硼永磁體，被稱為當(dāng)代“永磁之王”。燒結(jié)、粘結(jié)、熱壓釹鐵硼由于原材料、制造工藝流程不盡相同，使得不同釹鐵硼磁體表現(xiàn)出不同的特性。

近年來，許多新應(yīng)用要求磁體具有高的內(nèi)稟矯頑力cj，同時還要求保持較高的最大磁能積()max。2013年4月，中科三環(huán)發(fā)表文章宣布，通過對燒結(jié)釹鐵硼常規(guī)工藝的全面優(yōu)化，結(jié)合新型晶界擴散工藝的采用，研制出在20℃時，cj高達(dá)35.2kOe的同時，()max能保持在40.4 MGOe的高性能燒結(jié)釹鐵硼磁體。

目前各國的主要研究目標(biāo)是雙高磁性能磁體（高磁能積()max和高內(nèi)稟矯頑力cj）及低生產(chǎn)成本，以適應(yīng)燒結(jié)釹鐵硼永磁體在風(fēng)力發(fā)電、混合動力汽車/純電動汽車和節(jié)能家電等低碳經(jīng)濟領(lǐng)域中的應(yīng)用要求和原材料價格上漲的新形勢，同時也是為了促進稀土資源的高效應(yīng)用。

2015年1月召開的第519次香山科學(xué)會議上，與會專家呼吁加強稀土磁性材料特別是永磁材料的相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題研究，以期改變該領(lǐng)域基礎(chǔ)科研明顯滯后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀。

釹鐵硼憑借成型精度上的優(yōu)勢，壟斷了硬盤與光驅(qū)驅(qū)動主軸市場，未來有望隨硬盤與光驅(qū)市場穩(wěn)定增長。在這種情況下，汽車市場和高鐵交通領(lǐng)域未來有望成為粘結(jié)釹鐵硼增長的主要動力。

此外，納米復(fù)合永磁材料以其具有交換耦合作用而使剩磁增強、理論磁能積高達(dá)960kJ/m3（120MGOe）、由于含鐵量高使得成本相對較低及更好的加工性能和抗腐蝕性能等優(yōu)點，開始應(yīng)用于軍用和醫(yī)療中的尖端領(lǐng)域。

3.3 軟磁鐵氧體的發(fā)展趨勢

20年來，隨著開關(guān)電源向高頻化、小型輕量化、平面貼裝化方向發(fā)展，對軟磁鐵氧體材料的要求也越來越高。為此，國內(nèi)外的著名高校、研究所及知名企業(yè)開展了大量的理論、加工和工藝技術(shù)方面研究，詳細(xì)分析了軟磁鐵氧體微結(jié)構(gòu)與材料物理特性的關(guān)系[49,50]。目前，軟磁鐵氧體正在向更高頻率、更高磁導(dǎo)率、更低損耗三個方面不斷發(fā)展，同時，電工裝備對電磁性能的要求也在不斷提高。

對于未來軟磁鐵氧體的發(fā)展，國際上已經(jīng)將雙高、一低材料，即同時具備高頻率、高磁導(dǎo)率、低損耗的材料作為發(fā)展重點。目前，國際上對雙高材料的研究已經(jīng)獲得了一些成果，但由于電工裝備的工作環(huán)境復(fù)雜，在實際應(yīng)用中還存在許多問題。例如，在高強磁場下，材料損耗增大，導(dǎo)致設(shè)備過熱。由于軟磁鐵氧體作為磁性材料應(yīng)用范圍廣且直接影響電氣設(shè)備的性能和水平，因此，高性能軟磁鐵氧體材料具有極高的研究價值。面對諸多問題，借助納米技術(shù)研究、制備高端軟磁鐵氧體產(chǎn)品是國際上各大科研機構(gòu)、企業(yè)等未來的工作重點。

3.4 軟磁復(fù)合材料的發(fā)展趨勢

通常SMCs應(yīng)用在兩種場合中：一種是具有復(fù)雜形狀和磁路的電機，像電樞式爪極電機、橫向磁通電機、軸向磁通電機等[51]。這類電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用硅鋼片制造難度相對較大；而且它們的磁路通常是三維的，要求鐵心能夠在三個方向上產(chǎn)生強度相當(dāng)?shù)拇艌觥MCs材料的各向同性和易制造復(fù)雜形狀的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。另一種是要在較高頻率下工作的電機，渦流損耗相對于磁滯損耗隨頻率增長速度快，SMCs材料具有渦流損耗小，相比于硅鋼片更具優(yōu)勢[52]。

除了電機之外，近幾年SMCs在變壓器、磁懸浮軸承、電磁整流器等方面的應(yīng)用也有相應(yīng)的報道。

隨著電氣設(shè)備小型化趨勢，對各式微型磁粉心的需求日益顯著。軟磁復(fù)合材料也朝著能效更高、體積更小、質(zhì)量更輕的方向發(fā)展。

根據(jù)目前研究進展來看，未來SMCs的研究工作將從以下兩個方面進行：

（1）開發(fā)耐高溫SMCs材料。有機絕緣包覆層的耐熱性能差，限制了熱處理的溫度。為了提高SMCs材料的熱處理溫度乃至達(dá)到燒結(jié)溫度，應(yīng)開發(fā)新型的高溫SMCs材料及包覆工藝，進而提高SMCs的機械性能。

（2）磁粉心制備工藝與理論模型的研究。制備工藝的提高，對改進SMCs材料的性能有重大意義。理論指導(dǎo)實踐，當(dāng)前關(guān)于SMCs材料特性模型的建立還不完善，應(yīng)當(dāng)對SMCs材料特性進行精確的測量，并建立材料的特性模型。

3.5 非晶、納米晶的發(fā)展趨勢

非晶合金經(jīng)歷了早期的Pd、Au基等貴金屬體系到如今的Fe、Al基等常金屬體系。從早期尺寸較小的帶材，到目前的塊材。鈷基、鎳基和鐵基等非晶軟磁合金在電力、電子工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于制作配電變壓器、電感器和傳感器等。圖5所示為非晶合金電力變壓器。

圖5 非晶合金電力變壓器

非晶高效電機作為非晶材料應(yīng)用的另一新興領(lǐng)域，對我國工業(yè)電機系統(tǒng)的節(jié)能意義重大。目前國際上采用非晶合金定子鐵心開發(fā)研制的非晶電機，運行效率可達(dá)95%[53]。其主要發(fā)展趨勢表現(xiàn)在如下兩個方面：

（1）用鐵基非晶合金磁軛所制備的驅(qū)動器，具有比其他磁軛材料制備的驅(qū)動器更高的強度，同時也具備更好的加速和減速能力。

（2）研究不同合金配比與制作工藝下非晶合金材料的性能，以適應(yīng)日益復(fù)雜的使用環(huán)境。

迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的納米晶軟磁合金主要分為三大類：Finemet的FeCuNbSiB系合金、Nanoperm 的FeMB（Cu）系合金和Hitperm的FeCoZrSiB系合金（Zr是鋯）。

納米晶軟磁材料正朝著高頻、多功能方向發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域遍及軟磁材料應(yīng)用的各個方面。如：精密電流互感器、大功率開關(guān)電源變壓器、高頻開關(guān)電源、電抗器、濾波器、抗電磁干擾器件及一些高靈敏度場合[54]。總之，納米晶軟磁材料的發(fā)展趨勢為：加強其基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，不斷進行成分優(yōu)化設(shè)計、提高現(xiàn)有制備技術(shù)水平；積極探索新工藝、新方法，以求提高其軟磁性能和綜合性能；達(dá)到降低生產(chǎn)成本，提高應(yīng)用價值的目的。

3.6 磁致伸縮材料的發(fā)展趨勢

磁致伸縮材料發(fā)展至今，最為典型的當(dāng)屬20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的商品化稀土超磁致伸縮材料，主要代表為美國Edge Technologies公司的Terfenol-D和瑞典Feredyn AB公司的Magmek 86。同一時期，我國有關(guān)單位和院校也著手研究超磁致伸縮材料及其生產(chǎn)設(shè)備，但與國際先進行列相比，我國的研究與應(yīng)用整體還處于比較落后的位置[55]。

稀土超磁致伸縮材料最早應(yīng)用于低頻大功率水聲換能器的研制，目前已裝備美國海軍。隨后瑞典、日本、美國等開展了超磁致伸縮材料在微位移與微振動控制等方面的研究，并相繼應(yīng)用于燃料噴射、超高速導(dǎo)彈壓縮氦流控制及無人機控制等領(lǐng)域。

國內(nèi)浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等較早開始了超磁致伸縮材料驅(qū)動器的基礎(chǔ)理論及實驗應(yīng)用研究[56]。國內(nèi)超磁致伸縮材料已在聲學(xué)換能、閥門液壓、微位移與微振動控制、減振降噪等應(yīng)用領(lǐng)域中取得了重要突破。在超精密加工、精密定位、精密儀器、微電子技術(shù)、光纖技術(shù)、生物工程及微型機電系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究還有廣闊的發(fā)展空間。

3.7 磁性液體的發(fā)展趨勢

20世紀(jì)60年代中期美國國家航空航天局最先研制出磁性液體，并應(yīng)用于失重下輸送液體和宇航服密封[57]；其后1年，日本也成功開發(fā)磁性液體。直到20世紀(jì)70年代，中國幾所高校和單位才開始研究磁流變液。20世紀(jì)80年代初，第二代金屬磁性液體出現(xiàn)，磁性能有很大提高。20世紀(jì)90年代后，日本研制出第三代氮化鐵磁性液體，具有良好的抗腐蝕性和較高的磁性能。與此同時，北京交通大學(xué)也首次制備出耐酸堿的氟碳化合物基氟醚油磁性液體[58]。

在西方國家，磁性液體作為新型功能材料，因其呈現(xiàn)出的許多特殊的磁、光、電現(xiàn)象，在航天航空、冶金機械、化工環(huán)保、儀器儀表、醫(yī)療衛(wèi)生、國防軍工等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，并不斷拓展到新的應(yīng)用領(lǐng)域。而我國的研發(fā)目前還處于實驗室階段，雖然有產(chǎn)品已初步獲得應(yīng)用，但形成一定量的規(guī)?；a(chǎn)，仍需要解決很多技術(shù)難關(guān)，例如：

（1）新功能磁性液體的研制開發(fā)：得到穩(wěn)定性與磁性俱佳的超微粒子；尋找合適的表面活性劑及與之相匹配的載液。

（2）磁性液體的基礎(chǔ)研究：納米磁性液體各組成成分對性能的影響，磁性液體各種現(xiàn)象與性能的微觀機理。

（3）磁性液體裝置的研制及工作機理、特性的研究。

（4）新應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用技術(shù)的提出。

（5）降低磁性液體及其裝置的成本，促進商業(yè)實用化。

3.8 特種功能磁性材料的發(fā)展趨勢

自從Thomson在1856年發(fā)現(xiàn)鐵磁多晶體的各相異性磁電阻效應(yīng)，直到1988年，巴西學(xué)者Baibich發(fā)現(xiàn)（Fe/Cr）多層膜的巨磁電阻（GMR）效應(yīng)后，才引起世界的轟動并帶動全球科研工程技術(shù)人員的研發(fā)熱情。2007年諾貝爾物理學(xué)獎授予了發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻效應(yīng)”的法國物理學(xué)家阿貝爾費爾和德國科學(xué)家彼得格倫貝格爾。

目前已發(fā)現(xiàn)具有GMR效應(yīng)的材料主要有多層膜、自旋閥、納米顆粒膜、磁性隧道結(jié)、非連續(xù)多層膜、氧化物陶瓷、熔淬薄帶等。巨磁電阻的研究主要應(yīng)用于磁頭、傳感器和隨機存取存儲器等。

關(guān)于左手材料，2000年英國帝國理工大學(xué)John Pendry團隊，分別利用金屬線和開口諧振環(huán)的平面周期陣列確定了負(fù)介電參數(shù)與負(fù)磁導(dǎo)率[8]。2001年，美國杜克大學(xué)D. R. Smith團隊通過微波實驗驗證了負(fù)折射率現(xiàn)象的存在[42]。2010年，左手材料因其在飛機隱形及電掃描相控雷達(dá)方面的應(yīng)用而被美國空軍列為未來20年影響空軍裝備發(fā)展的關(guān)鍵智能材料技術(shù)。2011年，基于左手材料的雷達(dá)罩被應(yīng)用于美國海軍E2“鷹眼”預(yù)警機。美國空軍也開展了采用左手材料的無人機情報監(jiān)偵系統(tǒng)機體共形天線的研究。

在國內(nèi)，同濟大學(xué)在微波和射頻左手材料方面進行了較為完整的研究，陳鴻和張冶文教授等在左手材料與負(fù)折射效應(yīng)的基礎(chǔ)理論、表征手段和器件應(yīng)用等方面都有一些成果得以應(yīng)用。清華大學(xué)、南京大學(xué)、東南大學(xué)、浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等在左手材料研發(fā)與應(yīng)用方面的工作也受到了廣泛關(guān)注。

國家自然科學(xué)基金委員會將左手材料和負(fù)折射效應(yīng)的研究列入了2005年重點交叉項目指南中，在數(shù)理學(xué)部和工程與材料學(xué)部聯(lián)合的“準(zhǔn)相位匹配研究中的若干前沿課題”主題中，將“左手材料相關(guān)基礎(chǔ)性問題研究”列為主要探索內(nèi)容之一。同時，信息學(xué)部也將“異向介質(zhì)理論與應(yīng)用基礎(chǔ)研究”列入2005年重點項目指南，異向介質(zhì)即是左手材料的另一個名稱。未來，左手材料將向以下方向發(fā)展：

（1）向太赫茲、紅外和可見光等更高頻段發(fā)展。

（2）向頻帶可調(diào)發(fā)展。

（3）采用LDS技術(shù)制造金屬導(dǎo)電圖案，實現(xiàn)智能制造、綠色制造。

（4）左右手材料相結(jié)合制造左手器件。

（5）左手單元梯度材料的空間排列，實現(xiàn)電磁波調(diào)控。

左手材料的巨大應(yīng)用前景源于它的制造與實現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文從材料的分類、特性及其應(yīng)用和發(fā)展趨勢三個方面對國內(nèi)外電工領(lǐng)域應(yīng)用的8類典型先進電工磁性材料進行了歸納、總結(jié)；根據(jù)作者的思考，加入了對材料進一步研究的重點及發(fā)展展望，以供參考。隨著電工及材料技術(shù)的迅猛發(fā)展，先進電工磁性材料必將走向標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、尖端化，但這一戰(zhàn)略機遇中也必然伴隨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這就要求科研工作者和工程技術(shù)人員必須提高自主創(chuàng)新能力和國家科學(xué)技術(shù)的整體核心競爭力。限于篇幅，這些考量并沒有納入其中，但值得讀者們繼續(xù)討論與深思。

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Characteristics and Developments of Advanced Magnetic Materials in Electrical Engineering: A Review

1,22

（1. Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tianjin Polytechnic University Tianjin 300387 China2. Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability Hebei University of Technology Tianjin 300130 China）

Because of human concern for the growing demand for energy and the deterioration of resources and environment, making full development of advanced materials, especially the advanced magnetic materials in electrical engineering widely used in electrical machines, transformers and other electrical equipment, in order to saving energy and reducing consumption, has been a global consensus. Innovation and applications of advanced magnetic materials in electrical engineering such as electrical steel sheets, soft magnetic composite materials (SMCs), etc, have become the inexorable development trend in the field of electrical engineering, resulting in increasingly prominent impact on power systems at the same time. Therefore, great concerns are given from academic and engineering areas of all countries. The purpose of this paper is to comprehensively review the characteristics and development of the existing typical advanced magnetic materials in electrical engineering at home and abroad, and propose ideas and directions for future research and development. From the perspective of classifications, characteristics, applications and development trend, the possible and the potential progresses of advanced magnetic materials in electrical engineering are discussed emphatically in this paper, so that the readers can refer to it.

Advanced magnetic materials in electrical engineering, magnetic properties, development trend, review

TM271

楊慶新 男，1961年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，長期從事工程電磁場數(shù)值分析與磁技術(shù)相關(guān)研究工作。

E-mail: qxyang@tjpu.edu.cn（通信作者）

李永建 男，1978年生，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為工程電磁場與磁技術(shù)。

E-mail: lyj@hebut.edu.cn

2016-06-23 改稿日期 2016-08-29

國家自然科學(xué)基金重點資助項目（51237005）。