高性能磁性材料：永磁鐵氧體永磁鐵氧體是全球應(yīng)用最廣的磁性材料目錄永磁鐵氧體簡介基本概念與發(fā)展歷史結(jié)構(gòu)與特性晶體結(jié)構(gòu)及磁性參數(shù)制備方法傳統(tǒng)與新型制備工藝應(yīng)用領(lǐng)域永磁鐵氧體簡介定義以鐵氧體為主要成分的永磁材料具有優(yōu)良的磁性能和化學(xué)穩(wěn)定性歷史發(fā)展20世紀(jì)50年代首次開發(fā)經(jīng)歷數(shù)十年的持續(xù)改進(jìn)與創(chuàng)新永磁鐵氧體的重要性70%全球占比占全球永磁材料總產(chǎn)量的70%以上15億年產(chǎn)量全球年產(chǎn)量超過15億件30%年增長率市場需求持續(xù)增長永磁鐵氧體的基本組成主要原料氧化鍶(SrO)氧化鋇(BaO)氧化鐵(Fe2O3)化學(xué)式MO·6Fe2O3M為鍶(Sr)或鋇(Ba)元素比例金屬氧化物約14%鐵氧化物約86%永磁鐵氧體的分類燒結(jié)鐵氧體通過高溫?zé)Y(jié)制備粘結(jié)鐵氧體磁粉與高分子結(jié)合薄膜鐵氧體納米級超薄磁性層納米鐵氧體納米顆粒精細(xì)結(jié)構(gòu)燒結(jié)鐵氧體的特點(diǎn)質(zhì)地堅(jiān)硬莫氏硬度6-7價(jià)格低廉成本僅為釹鐵硼的1/10穩(wěn)定性好不易消磁、耐高溫工藝成熟規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)完善粘結(jié)鐵氧體的特點(diǎn)可塑性強(qiáng)易于制成復(fù)雜形狀加工性好可車、銑、鉆等機(jī)械加工質(zhì)量輕密度低于燒結(jié)鐵氧體尺寸精度高公差可控制在±0.05mm永磁鐵氧體的結(jié)構(gòu)與特性微觀晶體結(jié)構(gòu)決定磁性能的根本主要磁性參數(shù)剩磁、矯頑力、磁能積性能優(yōu)勢耐腐蝕、高穩(wěn)定性、性價(jià)比高晶體結(jié)構(gòu)六方晶系結(jié)構(gòu)磁鉛石型晶格結(jié)構(gòu)單元由S塊和R塊交替排列組成晶格常數(shù)a=b=0.588nm，c=2.32nm單胞組成每個(gè)單胞含38個(gè)氧離子結(jié)構(gòu)示意圖基本單元S塊和R塊交替排列離子分布Fe3+離子占據(jù)特定晶格位置磁矩排列形成鐵磁性排列磁性來源鐵離子自旋Fe3+提供5μB磁矩1超交換作用通過氧離子傳遞磁相互作用2亞鐵磁排列上下自旋不完全抵消3晶體各向異性沿c軸易磁化4主要磁性參數(shù)剩磁(Br)380-450mT矯頑力(Hc)140-300kA/m最大磁能積(BHmax)26-35kJ/m3居里溫度(Tc)450-460℃永磁鐵氧體的優(yōu)點(diǎn)原料豐富地殼中鐵含量豐富原料價(jià)格低廉性價(jià)比高制備成本低性能穩(wěn)定可靠耐腐蝕抗氧化能力強(qiáng)無需表面處理加工性能好可加工成各種形狀尺寸精度高永磁鐵氧體的制備方法傳統(tǒng)制備方法工業(yè)化生產(chǎn)主流工藝新型制備方法提高性能的先進(jìn)工藝工藝參數(shù)優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)精確控制傳統(tǒng)制備方法固相反應(yīng)法最常用的工業(yè)化生產(chǎn)方法陶瓷工藝法成熟的大規(guī)模生產(chǎn)工藝機(jī)械合金化法通過機(jī)械力促進(jìn)反應(yīng)自蔓延高溫合成法利用反應(yīng)熱進(jìn)行合成固相反應(yīng)法流程原料混合Fe2O3與SrCO3或BaCO3按比例混合預(yù)燒900-1100℃預(yù)燒形成鐵氧體相球磨濕法球磨細(xì)化顆粒至1-2μm成型施加磁場定向壓制成型燒結(jié)1200-1300℃高溫?zé)Y(jié)致密化新型制備方法共沉淀法獲得均勻高純度前驅(qū)體溶膠-凝膠法低溫制備納米級粉體水熱合成法溫和條件下合成高質(zhì)量產(chǎn)物微波合成法快速加熱促進(jìn)反應(yīng)共沉淀法的優(yōu)勢均勻性好原子級混合，組分分布均勻粒度可控通過反應(yīng)條件精確控制粒徑純度高減少雜質(zhì)引入，提高性能溶膠-凝膠法的特點(diǎn)低溫合成反應(yīng)溫度一般低于400℃降低能耗，減少團(tuán)聚納米級顆粒顆粒尺寸可控制在10-100nm比表面積大，活性高工藝優(yōu)勢組分易控制成分均勻性好形貌可調(diào)控水熱合成法的優(yōu)點(diǎn)反應(yīng)條件溫和低溫（100-300℃）高壓環(huán)境（1-10MPa）產(chǎn)物優(yōu)勢晶體完整度高粒度分布窄形貌可控工藝特點(diǎn)一步合成無需高溫?zé)Y(jié)環(huán)境友好永磁鐵氧體的磁性能調(diào)控成分調(diào)控元素?fù)诫s與替代微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控晶粒與晶界優(yōu)化工藝參數(shù)優(yōu)化溫度、時(shí)間、氣氛控制磁疇結(jié)構(gòu)調(diào)控磁化方向精確控制成分調(diào)控4稀土元素?fù)诫sLa、Nd、Sm等過渡金屬替代Co、Mn、Ni、Zn等復(fù)合摻雜多元素協(xié)同效應(yīng)離子缺陷調(diào)控氧空位、離子交換稀土元素?fù)诫s效果摻雜元素矯頑力變化剩磁變化溫度特性La提高15%略有降低顯著改善Nd提高20%基本不變中度改善Sm提高25%略有提高明顯改善Ce提高10%略有降低輕微改善常用摻雜元素稀土元素鑭(La)：提高矯頑力釹(Nd)：改善溫度特性釤(Sm)：增強(qiáng)磁晶各向異性鈰(Ce)：提高剩磁過渡金屬鈷(Co)：提高矯頑力錳(Mn)：提高剩磁鎳(Ni)：改善溫度特性鋅(Zn)：增強(qiáng)飽和磁化強(qiáng)度過渡金屬替代過渡金屬離子替代Fe3+可有效調(diào)節(jié)晶格常數(shù)和磁性Co2+替代提高矯頑力，Zn2+替代提高飽和磁化強(qiáng)度微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控晶粒尺寸控制優(yōu)化磁疇結(jié)構(gòu)晶界優(yōu)化減少非磁性相晶粒取向控制提高各向異性密度優(yōu)化減少孔隙晶粒尺寸對性能的影響晶粒尺寸(μm)矯頑力(kA/m)剩磁(mT)隨著晶粒尺寸增大，矯頑力下降而剩磁增加單疇臨界尺寸在0.7-1.0μm之間晶界優(yōu)化方法添加劑調(diào)控SiO2：抑制晶粒異常生長CaO：促進(jìn)致密化B2O3：降低燒結(jié)溫度熱處理工藝慢冷卻：減少內(nèi)應(yīng)力退火處理：改善磁性溫度梯度控制：定向生長燒結(jié)氣氛控制氧分壓調(diào)節(jié)：控制氧空位還原氛圍：優(yōu)化Fe2+/Fe3+比例工藝參數(shù)優(yōu)化1燒結(jié)溫度1200-1300℃，影響晶粒生長和致密度燒結(jié)時(shí)間1-4小時(shí)，影響相純度和微觀結(jié)構(gòu)冷卻速率5-20℃/分鐘，影響內(nèi)應(yīng)力和相變燒結(jié)氣氛氧分壓控制，影響鐵離子價(jià)態(tài)永磁鐵氧體的應(yīng)用領(lǐng)域汽車行業(yè)電機(jī)、傳感器、門鎖家電行業(yè)電機(jī)、揚(yáng)聲器、磁吸電子工業(yè)揚(yáng)聲器、耳機(jī)、硬盤3工業(yè)設(shè)備電動(dòng)工具、磁分離醫(yī)療設(shè)備MRI、診斷設(shè)備汽車行業(yè)應(yīng)用啟動(dòng)電機(jī)提供穩(wěn)定啟動(dòng)扭矩雨刮器電機(jī)長壽命可靠運(yùn)行自動(dòng)門鎖電機(jī)小型化輕量化設(shè)計(jì)冷卻風(fēng)扇耐高溫穩(wěn)定運(yùn)行家電行業(yè)應(yīng)用冰箱壓縮機(jī)節(jié)能高效運(yùn)行空調(diào)風(fēng)扇電機(jī)穩(wěn)定散熱性能好洗衣機(jī)電機(jī)長壽命低噪音電子工業(yè)應(yīng)用揚(yáng)聲器提供恒定磁場音質(zhì)穩(wěn)定可靠成本低廉耳機(jī)小型化設(shè)計(jì)輕量化結(jié)構(gòu)性價(jià)比高硬盤驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)頭臂定位震動(dòng)抑制可靠性高電動(dòng)工具應(yīng)用電鉆高扭矩穩(wěn)定輸出耐用壽命長成本優(yōu)勢明顯電鋸高效切割性能散熱性能好抗震性能優(yōu)良電動(dòng)螺絲刀精確扭矩控制體積小重量輕節(jié)能長續(xù)航醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用磁共振成像輔助用于外圍磁場調(diào)節(jié)與屏蔽醫(yī)療傳感器血壓、血氧等生命體征監(jiān)測康復(fù)設(shè)備磁療裝置、固定支架實(shí)驗(yàn)室設(shè)備磁力攪拌器、磁分離裝置能源領(lǐng)域應(yīng)用永磁鐵氧體在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中應(yīng)用廣泛太陽能跟蹤系統(tǒng)中提供穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力永磁鐵氧體在電機(jī)中的應(yīng)用直流永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕步進(jìn)電機(jī)精確定位、響應(yīng)快速伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、控制精度高無刷直流電機(jī)壽命長、效率高、噪音低永磁鐵氧體在傳感器中的應(yīng)用位置傳感器霍爾效應(yīng)傳感器磁阻傳感器磁電傳感器速度傳感器車輪轉(zhuǎn)速檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測流量測量電流傳感器非接觸測量高精度檢測安全可靠永磁鐵氧體在磁分離設(shè)備中的應(yīng)用礦石分選分離鐵磁性礦物水處理去除水中鐵磁性雜質(zhì)食品加工清除食品中金屬異物工業(yè)廢料處理回收有價(jià)值金屬物質(zhì)永磁鐵氧體的發(fā)展趨勢智能化磁電復(fù)合多功能材料綠色環(huán)保無稀土可回收材料復(fù)合化永磁-軟磁復(fù)合材料4微型化納米級永磁材料高性能化提高基礎(chǔ)磁性能高性能化趨勢永磁鐵氧體性能持續(xù)提升目標(biāo)突破理論極限50kJ/m3微型化趨勢納米級永磁鐵氧體粒徑小于100nm單疇結(jié)構(gòu)高矯頑力優(yōu)異熱穩(wěn)定性薄膜永磁鐵氧體厚度小于1μm高度取向集成度高微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用復(fù)合化趨勢永磁-軟磁復(fù)合材料交換耦合效應(yīng)提高磁能積改善矩形比永磁-高分子復(fù)合材料柔性可塑性好加工性能優(yōu)異減震降噪效果好多層復(fù)合材料多功能集成梯度磁性能性能可調(diào)控綠色環(huán)保趨勢無稀土永磁鐵氧體完全避免稀土資源依賴可回收永磁材料全生命周期設(shè)計(jì)綠色制造工藝低能耗低排放環(huán)保添加劑無毒無害成分智能化趨勢磁電復(fù)合材料磁場與電場耦合可控磁性材料溫度/壓力/電場調(diào)控自傳感永磁材料內(nèi)置監(jiān)測功能永磁鐵氧體的研究熱點(diǎn)124新型結(jié)構(gòu)材料W型、Z型六角鐵氧體高溫永磁鐵氧體耐高溫穩(wěn)定性研究各向異性調(diào)控提高磁晶各向異性新型制備技術(shù)微波、超聲、等離子體輔助新型永磁鐵氧體材料材料類型化學(xué)式磁能積(kJ/m3)居里溫度(℃)M型鐵氧體SrFe12O1930-40450W型鐵氧體SrFe18O2745-55520Y型鐵氧體Ba2Me2Fe12O2240-50280Z型鐵氧體Ba3Me2Fe24O4150-60410高溫永磁鐵氧體溫度(℃)標(biāo)準(zhǔn)鐵氧體相對矯頑力(%)高溫鐵氧體相對矯頑力(%)新型高溫永磁鐵氧體在高溫環(huán)境下保持更好的性能各向異性永磁鐵氧體磁晶各向異性機(jī)理晶格結(jié)構(gòu)決定自旋軌道耦合單離子各向異性提高各向異性方法摻雜La、Nd等元素精確控制晶粒取向優(yōu)化磁場成型工藝各向異性改善效果矯頑力提高30%磁能積提高25%性能溫度系數(shù)降低永磁鐵氧體的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀全球化布局生產(chǎn)基地遍布各大洲2規(guī)模化生產(chǎn)年產(chǎn)量超15億件技術(shù)成熟制備工藝標(biāo)準(zhǔn)化穩(wěn)定增長市場需求持續(xù)擴(kuò)大全球市場概況15億全球年產(chǎn)量超過15億件永磁鐵氧體產(chǎn)品32億$市場規(guī)模年市場規(guī)模超32億美元6.2%年增長率穩(wěn)定增長態(tài)勢70%市場份額在永磁材料中占主導(dǎo)地位中國永磁鐵氧體產(chǎn)業(yè)中國日本歐盟美國其他中國是全球最大的永磁鐵氧體生產(chǎn)國產(chǎn)量占全球60%以上技術(shù)水平對比技術(shù)指標(biāo)國際先進(jìn)水平中國平均水平差距最大磁能積42-45kJ/m336-40kJ/m310-15%剩磁420-450mT380-420mT5-10%矯頑力280-320kA/m240-280kA/m10-15%溫度特性-0.18%/℃-0.20%/℃10%永磁鐵氧體的未來展望市場需求持續(xù)增長新能源和5G推動(dòng)需求擴(kuò)大技術(shù)不斷突破性能指標(biāo)逐步提升產(chǎn)業(yè)升級加速智能制造提高生產(chǎn)效率應(yīng)用領(lǐng)域拓展新興領(lǐng)域帶來更多機(jī)遇市場需求預(yù)測2023年(億元)2028年預(yù)測(億元)新能源汽車和5G通信引領(lǐng)需求增長技術(shù)發(fā)展方向材料設(shè)計(jì)突破新型復(fù)合結(jié)構(gòu)開發(fā)制備工藝創(chuàng)新低能耗精確控制工藝性能極