磁性材料产业：背景信息

一、背景信息

1.基本概念

磁性是物质的最基本的性质之一，来源于不对称电子运动产生的磁矩，可分为铁、钴、镍及其合金产生的自旋磁矩和稀土永磁材料产生的轨道磁矩。磁性材料作为电力电子元器件的关键基础材料，具有使能量信息转换，机械能和电磁能相互转换的功能，用于制造牵引电机定子和转子部件，为牵引电机的稳定高效运行提供保障。磁性材料在其中具有转换、传递、处理、存储信息和能量等功能，其应用范围可遍及电声、选矿、能源、家用电器、医疗卫生、汽车、自动控制、信息技术等领域，由于其清洁环保，未来将在节能环保、新能源、电动汽车、智慧城市等新兴领域广泛应用，并逐渐应用于机器人、无人机、航空航天、卫星遥感等国防军事领域。

目前，磁性材料已成为促进经济社会发展的关键材料，随着非晶合金、稀土永磁化合物、超磁致伸缩、巨磁电阻等磁性材料深入发展，组织细微化、晶体学方位控制、薄膜化、超晶格等新技术开发，材料性能不断提升，对电子信息产品性能提高奠定了重要基础。

表.磁性材料的主要指标

2.材料分类

如图，磁性材料一般是Fe、Co、Ni元素及合金，稀土元素及合金，以及一些Mn的化合物。按应用可分为永磁材料、软磁材料、镧铁硅基合金、矩磁材料、旋磁材料、特磁材料等。在种类上，永磁材料和软磁材料数量最多，其他种类磁性材料数量较少因此合并至其他磁性材料大类中。

磁性材料分类

（1）永磁材料

①定义、性能及分类。永磁材料是一种经过磁化即能保持恒定磁性的材料，具有宽磁滞回线、高矫顽力和高剩磁的特点，具备转换、传递、处理、存储信息和能量的功能。从材料角度分类，永磁体可分为铁氧体永磁、稀土永磁及非稀土类金属磁体（金属永磁）三类。

永磁材料通常还需要兼顾优良的加工性能，满足所有性能的永磁体并不存在。磁性强的材料通常温度稳定性较差，例如，稀土钕铁硼在高温下会发生严重的退磁现象，而磁性弱的材料价格通常较低，因此选择永磁体时要根据使用目的和性能要求、价格因素选择合适的品种。在常用的永磁体中，金属永磁体（铝镍钴永磁体）磁通密度高，温度特性好，但矫顽力低，价格较贵；铁氧体永磁体磁通密度低，温度特性差，但矫顽力高，价格便宜；稀土永磁体（钕系、钐系永磁）磁通密度高、矫顽力高，但温度特性各异、价格昂贵。综合来看，铁氧体永磁体属于现有永磁体中性价比高的一类。

②应用。永磁体的应用较为广泛，例如小型部件扬声器、话筒、电表、按键等，大型部件中风力发电机、磁共振成像MRI的磁场施加装置等。近年来，新能源汽车小型电动机为永磁体的应用开辟了市场，根据使用场景，永磁材料可以拥有不同的形态和结构。

③稀土永磁材料。稀土永磁材料是一种以稀土元素RE和过渡金属元素TM形成的金属件化合物永磁材料，其通常具有较高的磁晶各向异性和高饱和磁化强度，是当前矫顽力最高、磁能积最大的一类永磁材料。在各类永磁材料之中，稀土永磁材料是目前已知综合磁性能最高的永磁材料，是稀土资源最重要的应用领域。稀土永磁广泛应用于风力发电、新能源汽车、消费电子、空调及高端装备等诸多领域。

稀土永磁材料的行业壁垒较高，未来正进一步向着高性能低成本、高温、高稳定性及可靠性、机械强度、耐腐蚀性方向发展。国内稀土钕铁硼永磁产业主要集中在浙江宁波、京津、山西、内蒙古包头、江西赣州以及四川地区。其低端市场壁垒低，产能相对分散，产品同质化严重；高端市场具有较高的技术、资金壁垒。目前，过你钕铁硼永磁材料生产装备已基本实现国产化，快淬甩带、破碎制粉、真空熔炼等设备已突破技术封锁，自动化、数字化水平不断提升。未来国内稀土永磁材料产业隐藏着新的机遇，新能源、人工智能、双碳理念的发展将成为持久推动力，但传统产品产能过剩将不可避免地带来优胜劣汰和资源整合。

④制备工艺。按照制造方法不同，钕铁硼永磁体可分为烧结永磁体和超急冷永磁体。前者多为块状体，满足高矫顽力、高磁积能要求；后者作为粘接永磁体，用于电子电气设备小型化应用。未来永磁体的发展趋向三个方向：一是更大的饱和磁化强度；二是更大的矫顽力；三是更好的高温稳定性。

烧结钕铁硼永磁体。如图，通过粉末在磁场中成型，经液相烧结成型。该工艺将原料真空冶炼，使溶液流在单辊上，经急冷制成钕铁硼合金。吸氢破碎后进一步机械粉碎制成单磁畴粉末。在磁场中使得粉末趋于一定趋向同时加压成型，高温烧结时低熔点的富钕相相融，作为粘结剂将晶体取向一致晶粒强固在一起。此时块体材料不具有磁性，后通过大电流线圈充磁形成永磁体。

粘接永磁体。将磁性粉末与橡胶、塑料等粘接材料相混合，与烧结永磁体相比，粘接永磁体可以一次成型，亦可以加工为形状复杂的磁体。该方法使用的多为锶铁氧体、钐钴、钕铁硼、钐铁氮等稀土永磁材料，制备的永磁体可弯折，克服传统永磁体加工困难的问题，但由于其具有大量的粘接材料使得磁积能不高，磁力强度下降。粘接永磁体由于良好的加工型、耐振动性和耐冲击性，广泛应用于震动冲击较大的车用马达、电冰箱密封条等。

钕铁硼永磁体制造工艺

（2）软磁材料

软磁材料是指具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料，该材料可以快速响应外磁场变化，低能耗获得高磁感应强度，且容易受到外加磁场磁化，容易退磁。

①铁氧体软磁材料。以三氧化二铁Fe₂O₃为主要成分的磁性氧化物，适用于高频低功率工作场景，主要应用于电子系统中电磁信号感应、耦合、转换、变换、传输、隔离、吸收等，可用于制作各类变压器、电感器、滤波器EMI等。软磁铁氧体具有饱和磁通密度小、矫顽力小、磁导率大的特点。此外，由于其具有致密的氧化层，电阻率高，涡流损耗低，因此在高频工作环境磁性材料中广泛应用。

②金属软磁与金属软磁粉心材料。金属软磁材料的优点为高磁导率，高饱和磁化强度，但因电阻率低，涡流损耗较大，适用于低频高功率工作环境。

金属软磁合金材料的代表有硅钢，该类材料是交流电器用理想材料，可用作变压器、发电机等器材和逆变器等电感元件的制作。在铁中添加硅可实现晶体磁各向异性常数和磁致伸缩常数的下降，可达到较低的矫顽力和较高的磁导率，显著提高电阻率，减少铁损耗。

硅钢又分为取向硅钢和无取向硅钢。取向硅钢含硅量超过无取向硅钢，由于其晶粒朝着一个方向排列，因而磁感高、铁损低，可用于变压器等应用场景；无取向硅钢的晶粒排列无规则，但韧性好，可用于电机等应用场景。

纯铁（雾化铁粉、羰基铁粉等）、铁硅合金、铁硅铝合金、铁镍合金等属于金属软磁粉心材料。铁硅、铁硅铝合金在高频率和高功率的工作环境中做了均衡，弥补了硅钢在高频率下损耗大以及铁氧体在高功率下饱和磁通密度不足的问题，可应用于光伏储能、新能源车充电桩、变频空调以及UPS等领域。

③非晶合金材料。非晶合金又称金属玻璃，是本世纪初兴起的新型功能材料，相较于传统的晶态合金，非晶合金中原子无规混乱排列，电阻率相比晶态合金高得多，从而降低了涡流损耗，同时，非晶合金没有磁晶各项异性，不存在微观结构缺陷，磁导率高、矫顽力低。目前，非晶合金材料主要应用于配电变压器领域。和硅钢相比，非晶合金材料具有突出的节能环保特性。在制造侧，非晶采用急速冷却工艺，从钢液到非晶合金一次成型，工艺流程显著短于硅钢产品；应用侧非晶合金材料具有高磁导率、低矫顽力、高电阻率等特性，电磁能量转换效率优于硅钢材料,非晶变压器空载损耗较硅钢变压器降幅可达70%，有效实现节能；回收侧，废旧非晶铁心可通过中频炉重熔后制成非晶合金薄带，非晶铁心中硅、硼元素基本实现回收利用，有效实现回收节能。

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