先进电工磁性材料特性与应用发展研究综述
2016-11-17杨庆新李永建
杨庆新 李永建
先进电工磁性材料特性与应用发展研究综述
杨庆新1,2李永建2
（1. 天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室 天津 300387;2. 河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 天津 300130）
人类对能源需求的日益增长和资源环境的逐步恶化，使得充分发展新材料，特别是在电机、变压器等电工装备中广泛使用的先进电工磁性材料，以期节能降耗，已经成为全球共识。以电工钢片、软磁复合材料等为代表的电工磁性材料的创新发展及其应用，已经成为电气工程领域不可阻挡的趋势，对电力系统深层次的影响亦愈发凸显，各国学术界和工程界均给予极大关注。本文全面综述国内外当前典型先进电工磁性材料的特性与发展，并厘清进一步的研发思路与方向。本文从先进电工磁性材料的分类、特性及其应用和发展趋势角度，重点讨论了先进电工磁性材料可能及潜在的发展需求及态势，供读者参考。
先进电工磁性材料 磁特性 发展趋势 综述
0 引言
在人类文明日趋进步的今天，对电能的使用达到了新的高峰，但这也导致了人们对化石能源枯竭、能源安全和环境恶化的担忧。许多国家已经开始着手发展新材料，以期在输出和使用电能的电工装备中节能降耗，一个以先进电工磁性材料创新发展与应用为标志的电气工程新时代已经到来。
所谓先进电工磁性材料主要是指其具有优异的电气和机械等应用特性参数。随着先进电工磁性材料在电工装备中的应用越来越广泛，发挥的作用也日渐突出，它们的特性与发展及对电气工程相关领域的影响也引起了人们的极大关注[1-8]。先进电工磁性材料呈现“高频率、高磁密、低损耗”以及“轻质、微型化、多功能”两种发展模式并存的格局，对电力系统的影响无论从深度还是广度都将是深远且巨大的，国内外工程界和学术界的研究亦是热度不减、成果频出。
本文着重对电工领域中应用的8类典型电工磁性材料：包括电工钢片、永磁材料、软磁铁氧体、软磁复合材料、非晶纳米晶、磁致伸缩材料、磁性液体及特种功能磁性材料的特性、应用与发展趋势进行全面综述，目的在于从多个角度对先进电工磁性材料的磁特性现状、应用与潜在发展趋势进行梳理和分析，为后续开展更为深入的研究提供借鉴与参考。
1 先进电工磁性材料的分类
1.1 电工钢片
电工钢片为一类含碳量很低的硅铁软磁合金，是由含硅量0.5%～4.5%的硅钢坯轧制而成的薄板钢材，呈片层或者卷带状，厚度在1mm以下，于1900年由英国人哈德菲尔德（R. A. Hadfield）等首先发现。硅的加入主要是提高钢板的电阻率、降低铁心损耗、减小磁晶各向异性等。电工钢片正朝着超薄、高磁感应前度、低损耗的方向发展，也逐渐成为一个国家钢铁产业发展水平的标志[9]。
1.2 永磁材料
永磁材料具有剩余磁感应强度r高、矫顽力c高、最大磁能积()max高、磁滞回线宽的特点，是一种一经磁化即能保持恒定磁性的材料，又称硬磁材料。
稀土永磁材料作为一种重要的功能材料，是众多磁性功能器件的物质基础。由于其较高的磁性能不仅使得高新技术产业中的磁器件高效化、小型化和轻量化，而且在一些新兴领域也得到了较为广泛的应用。可以说，其应用程度是一个国家或地区科学研究水平和应用技术高低的重要标志[10]。
常用的永磁材料主要有钕铁硼（NdFeB）、钡铁氧体（Ba-Ferrite）、锶铁氧体（Sr-Ferrite）、铝镍钴（AlNiCo）和钐钴永磁（SmCo2∶17型和SmCo1∶5型）。
1.3 软磁铁氧体
软磁铁氧体是指以Fe2O3为主要成分的亚铁磁性氧化物，与其他金属氧化物混合在一起通过粉末冶金的方法制备而成的矫顽力小、易磁化的功能磁性材料，是铁氧体材料中发展最早的一类材料，也是目前各种铁氧体中用途较广、数量较大、品种较多、产值较高的一种铁氧体[11-13]。它具有高的本征电阻率，所以在交流应用条件下具有很多金属软磁材料无法比拟的优越性，并且价格低廉。常用的有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等几类，其中Mn-Zn铁氧体的产量和用量最大，Mn-Zn铁氧体的电阻率低，为0.1～20W·m，频率一般在100kHz以下；Ni-Zn铁氧体具有很高的电阻率，达104～106W·m，应用在高频领域，比如电力电子变换装置中的高频变压器。
1.4 软磁复合材料
软磁复合材料（Soft Magnetic Composite Materials, SMCs）是一种以高纯度铁粉为原料，在铁粉颗粒表面包裹绝缘介质层后，采用粉末冶金工艺将粉体压制成所需形状，并通过热处理而得到的块状材料，如图1所示。具有各向同性、低涡流损耗和加工形状多样性等优点，非常适合作为电机铁心材料，特别是在中高频工作条件下的三维磁通电机。近年来SMCs领域的文献越来越多，报导了相关成果，特别是对SMCs的磁特性进行了精确的测量，并建立了该材料的应用特性模型[14,15]。
图1 SMCs材料结构和表面绝缘的铁粉颗粒
1.5 非晶、纳米晶软磁材料
非晶合金是指固态时原子的三维空间呈拓扑无序排列，这种状态在一定温度范围内保持相对稳定的合金，又被称为金属玻璃或玻璃态合金，于1960年由Duwez教授利用快淬工艺成功制备[16]。非晶软磁材料由于不存在晶粒结构，没有磁各向异性，且不存在阻碍畴壁移动的晶界、位错，因而磁导率较高、矫顽力较低，具有优良的综合软磁性能。1988年Yoshizawa教授在非晶合金的基础上开发了纳米晶合金，它是一种晶粒尺寸在1～100nm的单相或多相多晶合金，实际生产中一般是通过非晶加热晶化后得到，可分为Fe基、Co基和Ni基三种[17]。它们所展现出的良好磁性能和耐磨耐腐蚀特性使其正逐渐取代传统的硅钢材料，也使电力电子行业逐渐向着节能高效的方向发展。
1.6 磁致伸缩材料
自1842年Joule发现焦耳效应，即磁致伸缩效应之后，人们便开始了对磁致伸缩材料的研究[18]。磁致伸缩效应，是指磁性材料在磁场方向会发生伸长和缩短，通常用磁致伸缩系数来表征其形变程度。硅钢片的磁致伸缩会导致电机或变压器等发生振动。超磁致伸缩材料在磁场作用下发生相对较大形变，产生位移而做功或因反复伸长与缩短产生声波，从而实现电磁能与机械能或声能的相互转化，受到了各国科学界和工业界的高度关注[19]。
1.7 磁性液体
磁性液体（Magnetic liquid），也称铁磁流体（Ferro-fluid）或磁流体（Magnetic fluid），是一种将纳米级铁磁材料颗粒利用表面活性剂均匀稳定地分散在某种液态载体之中，所形成的稳定胶体悬浮液[20]，如图2所示。磁性液体是一种新型的功能材料，在外磁场的作用下被磁化，通常显示超顺磁特性，它兼有磁性和液体的流动性双重性质，还具有非常独特的力学、热学、光学以及声学特性[21]。正因如此，它实际应用广泛，在理论上也具有很高的学术研究价值。
图2 磁性液体结构示意图
1.8 特种功能磁性材料
早在1856年，Thomson发现了在铁磁材料平行于电流方向的电阻率比垂直于电流方向的电阻率大，这种现象被称为各向异性的磁阻效应（Anisotropic Magnetoresistance, AM），尽管该效应不是很显著（约2%），但是由于简便性而应用于磁场传感器中[22]。基于这种效应，在外磁场的作用下电阻发生显著变化的功能磁性材料称为巨磁电阻材料（Giant Magneto Resistance, GMR）。
左手材料（left handed materials或metamaterials）特指一种电磁特性与天然材料迥异的亚波长人工材料，其介电常数与磁导率可同时为负，这类材料又被称为负折射率材料或双负材料[23]。还有一类材料的介电系数与磁导率两个参数仅有一个为负，这类材料被称为单负材料，包括负电和负磁材料。左手材料与传统的电工磁性材料有很大的互补性。2010年，《科学》杂志评选左手材料为过去10年中人类最重大的十大科技突破之一。2012年，美国国防部把左手材料列为未来“六大颠覆性基础研究领域”的首位。
2 先进电工磁性材料的特性及其应用
2.1 电工钢片的特性及其应用
根据生产加工工艺的不同，电工钢片有热轧和冷轧之分。热轧电工钢片主要用于发电机制造，但由于其可利用率低、能耗大，已逐步被淘汰；冷轧电工钢片具有表面平整、厚度均匀、叠装系数高、冲片性好、磁感应强度高、铁损低等优点。
根据组织结构的不同，冷轧电工钢片又有非晶粒取向和晶粒取向之分。非取向电工钢片通过特定的生产工艺在轧制过程中使晶粒取向分布均匀，供应态多为0.35mm和0.5mm厚的钢带，多用来做家用电器、微小电机、镇流器、小变压器、发电机的铁心；取向电工钢片在轧制过程中使晶粒趋向于一致，与非取向电工钢片相比，其在易磁化轴上具有优越的高磁导率和低损耗特性[24,25]。与热轧电工钢片相比，冷轧电工钢片的铁损仅为其一半左右，磁导率却为其2.5倍，可减少变压器电能消耗量45%～50%，多用于变压器铁心的制造。
根据取向度和磁性的不同又可分为普通取向和高磁感应强度取向硅钢片两种。后者在易磁化的轧制方向上具有更低的取向度、铁损及磁致伸缩值，且应力敏感性更小，故其铁损比普通取向电工钢片更小。同时在弱磁场条件下也具有高的磁性能，应用频率通常在400Hz以上。新近发展的超薄硅钢片和层状复合电工钢薄带可应用于更高频率场合，有些甚至高达2MHz，主要应用于电信与仪表工业中的各种变压器、扼流圈等电磁元件。
2.2 永磁材料的特性及其应用
永磁材料主要包括永磁合金、铁氧体和稀土永磁材料三大类[26,27]。
1）永磁合金，区别于其他材料的一个重要特征是矫顽力高，又可分为：
（1）铝镍钴系永磁合金。以铁、镍、铝元素为主要成分，还含有铜、钴、钛等元素。具有高剩磁、低矫顽力和低温度系数，磁性稳定，分铸造合金和粉末烧结合金两种。现多用于仪表工业中制造磁电系仪表、微特电机、继电器等。
（2）铁铬钴系永磁合金。以铁、铬、钴元素为主要成分，还含有钼和少量的钛、硅元素。其加工性能好，可进行冷热塑性变形，从而制成管材、片材或线材等供特殊应用，磁性类似于铝镍钴系永磁合金，并可通过塑性变形和热处理提高磁性能。用于制造各种截面小、形状复杂的小型磁体元件。
2）铁氧体，是由铁族元素和其他一种或几种适当的金属元素组成，经预烧、破碎、制粉、压制成型、烧结和磨加工而成。由于其不含贵金属镍、钴等，原材料来源丰富、工艺简单、成本低，可代替铝镍钴永磁体制造磁分离器、磁推轴承、微波器件等，但不宜作测量仪表及有精密要求的磁性器件。
目前，铁氧体磁性器件正向小型化、集成化和高频化发展，相应地对铁氧体材料的性能也提出来新的要求。随着频率的增加，铁氧体材料内部会产生严重的涡流损耗。这已成为限制其应用的重要瓶颈。为此，有关高频铁氧体和微波铁氧体的研究已越来越成为先进铁氧体器件的重要发展方向。
3）稀土永磁材料，是目前综合性能最高的一种永磁材料，如图3所示。它的磁性能比19世纪使用的磁钢高100多倍，比铁氧体、铝镍钴性能优越得多，比昂贵的铂钴合金还高一倍[28]。具有高磁特性、直线退磁特性、耐温高和温度稳定性较好等特点，在汽车电机等中广泛应用。
图3 稀土永磁材料
2.3 软磁铁氧体的特性及其应用
软磁铁氧体一般可分为三大类：功率铁氧体、高磁导率铁氧体和抗电磁干扰铁氧体。功率铁氧体的主要特征是在高（或较高）频率的磁感应强度下，仍保持很低的功率损耗，且不随温度的升高而急剧增加，在60～100℃有最小值，从而使磁心处于一种良性循环[29,30]。功率铁氧体主要用于各种开关电源变压器和以彩电的回扫变压器为代表的功率型感性器件中，应用范围十分广泛，是目前产量最大的软磁铁氧体材料。高磁导率铁氧体的主要特征是起始磁导率很高，在弱场下具有较低的损耗因子。高磁导率铁氧体主要用于宽频带电感器、脉冲变压器和电子镇流器中。抗电磁干扰铁氧体的主要特征是利用铁氧体材料的电磁损耗机理，对电磁干扰信号进行大量吸收，达到抗电磁干扰的目的，主要用于电感器、抗电磁干扰滤波器、抑制器和片式电感器等。
此外，由于软磁铁氧体具有较高的电阻率、机械加工性能好、易于压模成型、稳定性好和成本低等优点，在荧光灯的电子整流器、汽车和船舶的电子打火器、电磁传感器、高频焊接、高频热处理、超声探测器及电磁波吸收等方面也有广泛应用[31]。
2.4 软磁复合材料的特性及其应用
SMCs材料具有如下优点[32,33]：
（1）磁各向同性。SMCs材料由铁粉颗粒经过特殊生产工艺制成，决定其具有磁各向同性，这大大增加了设计自由度，单位重量可获得更大转矩以及更大的填充率，实现重量更轻、体积更小的目的。
（2）低涡流损耗。因为铁粉颗粒之间彼此绝缘，材料电阻率较大，降低了涡流损耗，使得其更适合应用在高频部件中。
（3）更好的形状特性。SMCs材料经过压制而成，可以形成各类复杂的形状，且表面光滑，不必因担心棱角割破导线而配置厚绝缘层。
（4）成本低，方便回收。SMCs压制过程简单，而且没有边角浪费，减小了生产成本。SMCs的粉末状结构使得其在回收时，将部件压碎，用磁选即可简便地分开铜绕组与铁。
同时，SMCs材料存在以下缺点[34]：
（1）磁导率低、磁滞损耗大。SMCs材料的磁导率比硅钢片小，一般相对磁导率的最大值在500左右，适合用在对铁心磁导率要求不高的电机中，例如永磁电机、交流换向器电机中，而不适于异步电机、磁阻电机等对铁心磁导率要求较高的电机中。其物理结构导致其磁滞损耗比硅钢片大得多，因此在低频场合SMCs的总损耗要比硅钢片大。随着频率提高，涡流损耗逐渐成为总损耗的主要部分，SMCs的优势方能得以体现，具体见表1。
表1 几种常见SMCs材料与电工钢片磁性能对比
Tab.1 Magnetic properties comparisons among several common SMCs and electrical steel sheets
（2）机械强度低。旋转电机对机械强度的要求随着转子尺寸和转速的增大而提高。SMCs颗粒表面存在绝缘层，不能进行高温烧结，故具有机械强度低于叠层或高温烧结材料的弱势。
2.5 非晶、纳米晶的特性及其应用
非晶合金具有以下优良特性：
（1）高磁导率、低损耗。与传统的金属磁性材料相比，非晶合金没有晶体的各向异性，而且电阻率高（约为120～190×10-8），具有高的磁导率（铁氧体的10倍以上）、低的损耗（硅钢片的1/10～1/5，铁氧体损耗的1/5～1/2），是优良的软磁材料。
（2）高强韧性。非晶合金具有优良的韧性和耐磨性，可以制造各种磁头和磁心加强件。
（3）耐腐蚀。由于非晶态金属的结构均匀，在与表面有关的特性（如腐蚀和催化）方面，非晶态合金被认为是理想的化学均匀合金。
（4）绿色材料。变压器所用的铁基非晶合金主要制造方法是在炼钢之后直接喷带，工艺大大简化，节约了大量宝贵的能源，同时无污染物排放，对环境保护非常有利[35,36]。
与对应的非晶材料相比，纳米晶合金表现出更佳的强度、硬度，更良好的韧性，更小的弹性模量和延展性，更好的扩散性，更高的比热，更大的热膨胀系数，更优良的软磁性特点。纳米晶合金现已大规模应用于配电变压器、电感器及磁性传感器等功能器件。
2.6 磁致伸缩材料的特性及其应用
磁致伸缩材料是一类具有磁致伸缩效应的磁（电）-机械能转换材料，其特性如下[37]。
（1）焦耳效应。由于磁化状态的改变，其长度和体积会发生微小的变化。可用来制作磁致伸缩致动器。
（2）磁致伸缩逆效应（维拉里效应）。在磁场中，给磁体施加外力作用，由于形状变化，导致磁化强度发生变化。可用于制作磁致伸缩传感器。
（3）D效应。磁致伸缩材料由于磁化状态的改变而引起自身杨氏模量发生变化的现象。可用于声延迟线。
（4）维德曼效应。在磁性体上施加适当的磁场，当有电流通过时磁性体发生扭曲变形的现象。可用于扭转电动机。
（5）维德曼逆效应。使磁体发生机械扭曲，则在二次线圈中产生电流。可用于扭转传感器。
（6）跳跃效应。当磁致伸缩材料外加预应力时，磁致伸缩呈跳跃式变化，磁化率也发生变化。
此外，基于巨磁致伸缩材料的巨大优越性，已经成功制造了电-声换能器、电-机换能器、驱动器、传感器和电子器件等，广泛应用于海洋、地质、航空航天、运输、加工制造、医学、计算机、机器人、仪器、电子及民品等技术领域[38]。当然，硅钢片的磁致伸缩导致的变压器或电机的铁心振动应当是要采取措施减弱的，这也是目前研究热点。
2.7 磁性液体的特性及其应用
磁性液体具有如下特性[39]：
（1）软磁体的磁性和液体的流动性。
（2）稳定的胶质分散体。
（3）无剩磁，矫顽力为零。
（4）磁液系统总磁矩为零。
（5）磁粘效应。无外加磁场，基载液的浓度和表面活性剂的含量都会影响磁性液体的粘度，含量越大，粘度越大。外加磁场时，磁场的大小和方向都会影响磁性液体的粘度，且外场方向与磁性液体的涡旋矢量方向垂直时，影响最为明显，并随着磁场强度的变大粘度越大[40]。可以用来制造减振器。
（6）磁光效应。当外加磁场垂直于磁性液体薄膜时，磁性液体的折射率会随外界磁场的变化而相应变化。可以用来制作光开关。
（7）阻尼特性。在振动过程中，磁性液体之间的摩擦及磁性液体与外壳之间的摩擦消耗能量；或者与减振器外壳接触受压产生弹性变形消耗能量。可以用来制造减振器。
磁性液体主要应用于密封。近年来正在迅速向传感领域发展，比如在加速度传感器或倾斜角传感器等方面的应用。
2.8 特种功能磁性材料的特性及其应用
巨磁电阻材料的特性如下：
（1）电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。
（2）电阻随外加磁场强度的改变而发生显著变化，变化率一般达百分之几，也有达百分之几十的。这种磁电阻变化在纳米薄膜材料中比较显著。
巨磁阻效应可广泛地应用于数控机床、汽车导航、大数据存储硬盘、非接触开关和旋转编码器中。此外，基于磁阻效应和磁阻抗效应也制成了多种磁场、位移、角度检测传感器，在航空航天领域及交通运输检测系统等都有广阔的应用[41]。
左手材料具有负相速度、负折射率、理想成像、逆Doppler频移、反常Cerenkov辐射等奇异的物理性质，颠倒了物理学的“右手规律”，逐步在光调控与太赫兹器件、微波成像、电磁测量与传感和雷达隐身与无线电能传输技术中开始应用[42]。
3 先进电工磁性材料的发展趋势
3.1 电工钢片的发展趋势
为顺应高频、轻质、低损耗趋势，非晶粒取向电工钢片不但要在性能效率上进一步提高，还要开发出特殊性能的非取向电工钢。近年来，美、日等国致力于高磁感应强度、低铁损、磁致伸缩小的冷轧取向电工钢的研发[43-45]。随着中国大规模的电力建设，国内电工钢的需求量也在剧增，如图4所示。
图4 中国内地和全球冷轧电工钢生产的发展
此外，电工钢片需要进一步提高其涂层的附着性，且应满足环保要求[46]。特殊变压器、电抗器等可能会使用薄规格的非取向电工钢、取向极薄带、高硅钢薄带或者无硅电工钢片等。这其中的佼佼者则属于层状复合电工钢薄带的出现。
层状复合电工钢薄带是电工钢的尖端产品，其组织结构特征为表层硅含量高（6.5%Si），中心层硅含量相对较低（0～3.5%Si），在复合界面处硅浓度呈连续梯度变化[47]。这样的层状复合结构分布带来了相比于其他诸如硅浓度均匀分布的取向和非取向电工钢更为优异的电磁性能，比如可以显著降低高频铁心损耗等。
之所以高频下层状复合电工钢薄带具有超低的铁心损耗，原因在于[48]：
（1）硅含量小于6.5%时，电工钢的电阻率和磁导率均随硅含量的增加而显著增大。
（2）高频下电工钢铁心损耗的主要来源是涡流损耗。
（3）层状复合电工钢薄带由表层到中心层的磁导率梯度可形成梯度感应磁场，在高频下改善了趋肤效应导致的涡流分布，从而充分发挥高硅层高电阻率显著降低涡流损耗的作用。
基于这些优越特性，层状复合电工钢薄带可应用于核电安注箱、化工原料储罐、电梯轿厢装饰板等特殊工程领域。
3.2 永磁材料的发展趋势
近年来，永磁材料的发展最具代表性的是稀土永磁材料，现在已经开发成功了第三代稀土永磁材料（Nd2Fe14B），也是目前应用最广的稀土永磁。第四代为Sm2Fe17N3，但目前尚未进入商业化生产阶段。由于Sm储量稀少，仅用于高端军用市场。
稀土永磁材料作为最新一代的永磁体，具备高效节能的优势，发展前景广阔。而稀土永磁体主要为钕铁硼永磁体，被称为当代“永磁之王”。烧结、粘结、热压钕铁硼由于原材料、制造工艺流程不尽相同，使得不同钕铁硼磁体表现出不同的特性。
近年来，许多新应用要求磁体具有高的内禀矫顽力cj，同时还要求保持较高的最大磁能积()max。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℃时，cj高达35.2kOe的同时，()max能保持在40.4 MGOe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()max和高内禀矫顽力cj）及低生产成本，以适应烧结钕铁硼永磁体在风力发电、混合动力汽车/纯电动汽车和节能家电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。
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材料的相关基础科学问题研究，以期改变该领域基础科研明显滞后于产业发展的现状。
钕铁硼凭借成型精度上的优势，垄断了硬盘与光驱驱动主轴市场，未来有望随硬盘与光驱市场稳定增长。在这种情况下，汽车市场和高铁交通领域未来有望成为粘结钕铁硼增长的主要动力。
此外，纳米复合永磁材料以其具有交换耦合作用而使剩磁增强、理论磁能积高达960kJ/m3（120MGOe）、由于含铁量高使得成本相对较低及更好的加工性能和抗腐蚀性能等优点，开始应用于军用和医疗中的尖端领域。
3.3 软磁铁氧体的发展趋势
20年来，随着开关电源向高频化、小型轻量化、平面贴装化方向发展，对软磁铁氧体材料的要求也越来越高。为此，国内外的著名高校、研究所及知名企业开展了大量的理论、加工和工艺技术方面研究，详细分析了软磁铁氧体微结构与材料物理特性的关系[49,50]。目前，软磁铁氧体正在向更高频率、更高磁导率、更低损耗三个方面不断发展，同时，电工装备对电磁性能的要求也在不断提高。
对于未来软磁铁氧体的发展，国际上已经将双高、一低材料，即同时具备高频率、高磁导率、低损耗的材料作为发展重点。目前，国际上对双高材料的研究已经获得了一些成果，但由于电工装备的工作环境复杂，在实际应用中还存在许多问题。例如，在高强磁场下，材料损耗增大，导致设备过热。由于软磁铁氧体作为磁性材料应用范围广且直接影响电气设备的性能和水平，因此，高性能软磁铁氧体材料具有极高的研究价值。面对诸多问题，借助纳米技术研究、制备高端软磁铁氧体产品是国际上各大科研机构、企业等未来的工作重点。
3.4 软磁复合材料的发展趋势
通常SMCs应用在两种场合中：一种是具有复杂形状和磁路的电机，像电枢式爪极电机、横向磁通电机、轴向磁通电机等[51]。这类电机结构复杂，采用硅钢片制造难度相对较大；而且它们的磁路通常是三维的，要求铁心能够在三个方向上产生强度相当的磁场。SMCs材料的各向同性和易制造复杂形状的优势得以充分发挥。另一种是要在较高频率下工作的电机，涡流损耗相对于磁滞损耗随频率增长速度快，SMCs材料具有涡流损耗小，相比于硅钢片更具优势[52]。
除了电机之外，近几年SMCs在变压器、磁悬浮轴承、电磁整流器等方面的应用也有相应的报道。
随着电气设备小型化趋势，对各式微型磁粉心的需求日益显著。软磁复合材料也朝着能效更高、体积更小、质量更轻的方向发展。
根据目前研究进展来看，未来SMCs的研究工作将从以下两个方面进行：
（1）开发耐高温SMCs材料。有机绝缘包覆层的耐热性能差，限制了热处理的温度。为了提高SMCs材料的热处理温度乃至达到烧结温度，应开发新型的高温SMCs材料及包覆工艺，进而提高SMCs的机械性能。
（2）磁粉心制备工艺与理论模型的研究。制备工艺的提高，对改进SMCs材料的性能有重大意义。理论指导实践，当前关于SMCs材料特性模型的建立还不完善，应当对SMCs材料特性进行精确的测量，并建立材料的特性模型。
3.5 非晶、纳米晶的发展趋势
非晶合金经历了早期的Pd、Au基等贵金属体系到如今的Fe、Al基等常金属体系。从早期尺寸较小的带材，到目前的块材。钴基、镍基和铁基等非晶软磁合金在电力、电子工业领域被广泛应用于制作配电变压器、电感器和传感器等。图5所示为非晶合金电力变压器。
图5 非晶合金电力变压器
非晶高效电机作为非晶材料应用的另一新兴领域，对我国工业电机系统的节能意义重大。目前国际上采用非晶合金定子铁心开发研制的非晶电机，运行效率可达95%[53]。其主要发展趋势表现在如下两个方面：
（1）用铁基非晶合金磁轭所制备的驱动器，具有比其他磁轭材料制备的驱动器更高的强度，同时也具备更好的加速和减速能力。
（2）研究不同合金配比与制作工艺下非晶合金材料的性能，以适应日益复杂的使用环境。
迄今为止，已发现的纳米晶软磁合金主要分为三大类：Finemet的FeCuNbSiB系合金、Nanoperm 的FeMB（Cu）系合金和Hitperm的FeCoZrSiB系合金（Zr是锆）。
纳米晶软磁材料正朝着高频、多功能方向发展，其应用领域遍及软磁材料应用的各个方面。如：精密电流互感器、大功率开关电源变压器、高频开关电源、电抗器、滤波器、抗电磁干扰器件及一些高灵敏度场合[54]。总之，纳米晶软磁材料的发展趋势为：加强其基础和应用研究，不断进行成分优化设计、提高现有制备技术水平；积极探索新工艺、新方法，以求提高其软磁性能和综合性能；达到降低生产成本，提高应用价值的目的。
3.6 磁致伸缩材料的发展趋势
磁致伸缩材料发展至今，最为典型的当属20世纪80年代中期出现的商品化稀土超磁致伸缩材料，主要代表为美国Edge Technologies公司的Terfenol-D和瑞典Feredyn AB公司的Magmek 86。同一时期，我国有关单位和院校也着手研究超磁致伸缩材料及其生产设备，但与国际先进行列相比，我国的研究与应用整体还处于比较落后的位置[55]。
稀土超磁致伸缩材料最早应用于低频大功率水声换能器的研制，目前已装备美国海军。随后瑞典、日本、美国等开展了超磁致伸缩材料在微位移与微振动控制等方面的研究，并相继应用于燃料喷射、超高速导弹压缩氦流控制及无人机控制等领域。
国内浙江大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、河北工业大学、西北工业大学等较早开始了超磁致伸缩材料驱动器的基础理论及实验应用研究[56]。国内超磁致伸缩材料已在声学换能、阀门液压、微位移与微振动控制、减振降噪等应用领域中取得了重要突破。在超精密加工、精密定位、精密仪器、微电子技术、光纤技术、生物工程及微型机电系统等领域的应用研究还有广阔的发展空间。
3.7 磁性液体的发展趋势
20世纪60年代中期美国国家航空航天局最先研制出磁性液体，并应用于失重下输送液体和宇航服密封[57]；其后1年，日本也成功开发磁性液体。直到20世纪70年代，中国几所高校和单位才开始研究磁流变液。20世纪80年代初，第二代金属磁性液体出现，磁性能有很大提高。20世纪90年代后，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的磁性能。与此同时，北京交通大学也首次制备出耐酸碱的氟碳化合物基氟醚油磁性液体[58]。
在西方国家，磁性液体作为新型功能材料，因其呈现出的许多特殊的磁、光、电现象，在航天航空、冶金机械、化工环保、仪器仪表、医疗卫生、国防军工等领域获得广泛应用，并不断拓展到新的应用领域。而我国的研发目前还处于实验室阶段，虽然有产品已初步获得应用，但形成一定量的规模化生产，仍需要解决很多技术难关，例如：
（1）新功能磁性液体的研制开发：得到稳定性与磁性俱佳的超微粒子；寻找合适的表面活性剂及与之相匹配的载液。
（2）磁性液体的基础研究：纳米磁性液体各组成成分对性能的影响，磁性液体各种现象与性能的微观机理。
（3）磁性液体装置的研制及工作机理、特性的研究。
（4）新应用领域和应用技术的提出。
（5）降低磁性液体及其装置的成本，促进商业实用化。
3.8 特种功能磁性材料的发展趋势
自从Thomson在1856年发现铁磁多晶体的各相异性磁电阻效应，直到1988年，巴西学者Baibich发现（Fe/Cr）多层膜的巨磁电阻（GMR）效应后，才引起世界的轰动并带动全球科研工程技术人员的研发热情。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GMR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、熔淬薄带等。巨磁电阻的研究主要应用于磁头、传感器和随机存取存储器等。
关于左手材料，2000年英国帝国理工大学John Pendry团队，分别利用金属线和开口谐振环的平面周期阵列确定了负介电参数与负磁导率[8]。2001年，美国杜克大学D. R. Smith团队通过微波实验验证了负折射率现象的存在[42]。2010年，左手材料因其在飞机隐形及电扫描相控雷达方面的应用而被美国空军列为未来20年影响空军装备发展的关键智能材料技术。2011年，基于左手材料的雷达罩被应用于美国海军E2“鹰眼”预警机。美国空军也开展了采用左手材料的无人机情报监侦系统机体共形天线的研究。
在国内，同济大学在微波和射频左手材料方面进行了较为完整的研究，陈鸿和张冶文教授等在左手材料与负折射效应的基础理论、表征手段和器件应用等方面都有一些成果得以应用。清华大学、南京大学、东南大学、浙江大学、复旦大学等在左手材料研发与应用方面的工作也受到了广泛关注。
国家自然科学基金委员会将左手材料和负折射效应的研究列入了2005年重点交叉项目指南中，在数理学部和工程与材料学部联合的“准相位匹配研究中的若干前沿课题”主题中，将“左手材料相关基础性问题研究”列为主要探索内容之一。同时，信息学部也将“异向介质理论与应用基础研究”列入2005年重点项目指南，异向介质即是左手材料的另一个名称。未来，左手材料将向以下方向发展：
（1）向太赫兹、红外和可见光等更高频段发展。
（2）向频带可调发展。
（3）采用LDS技术制造金属导电图案，实现智能制造、绿色制造。
（4）左右手材料相结合制造左手器件。
（5）左手单元梯度材料的空间排列，实现电磁波调控。
左手材料的巨大应用前景源于它的制造与实现。
4 结论
本文从材料的分类、特性及其应用和发展趋势三个方面对国内外电工领域应用的8类典型先进电工磁性材料进行了归纳、总结；根据作者的思考，加入了对材料进一步研究的重点及发展展望，以供参考。随着电工及材料技术的迅猛发展，先进电工磁性材料必将走向标准化、智能化、尖端化，但这一战略机遇中也必然伴随着严峻的挑战，这就要求科研工作者和工程技术人员必须提高自主创新能力和国家科学技术的整体核心竞争力。限于篇幅，这些考量并没有纳入其中，但值得读者们继续讨论与深思。
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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
杨庆新 男，1961年生，博士，教授，博士生导师，长期从事工程电磁场数值分析与磁技术相关研究工作。
E-mail: qxyang@tjpu.edu.cn（通信作者）
李永建 男，1978年生，博士，教授，硕士生导师，研究方向为工程电磁场与磁技术。
E-mail: lyj@hebut.edu.cn
2016-06-23 改稿日期 2016-08-29
国家自然科学基金重点资助项目（51237005）。
