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纳米晶稀土永磁材料演绎“神奇磁力”

□ 本报记者　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

    小时候当过玩具的磁铁块，喝水用的磁化杯，厨房里的冰箱贴，听歌看录像时的磁带，电脑里的硬盘、磁盘，洗衣机、电风扇、电吹风、电动剃须刀等各种家电里的电动机，乘车时作为凭证和票价结算的磁卡，高速行驶的磁悬浮列车，在外太空执行探测任务的航天卫星……我们的生活已经越来越离不开磁性材料。没有它，我们就无法看电视、听收音机、打电话；没有它，甚至连夜晚都将会一片漆黑。
    在林林种种的磁性材料中，永磁材料是一经磁化即能保持恒定磁性那一种，并广泛应用于汽车、仪器、仪表、家用电器、石油化工、医疗保健、航空航天等行业中。以一辆汽车为例，整车有30多个部件需要使用电机，所需永磁材料超过1.5公斤。
    为了制备出新一代廉价又高性能的永磁材料，我校和磁性材料领域研究水平位居全美第二的美国戴顿大学联手展开了多年的合作探索。2006年12月，双方签订了《超高压制备纳米晶稀土永磁材料的关键技术研究》的浙江省国际科技合作项目。
    让永磁材料磁能大增的神奇帮手有两个，一个叫“稀土”，一个叫“纳米”。项目负责人材料科学与工程学院院长葛洪良教授介绍说。稀土家族的成员有“点石成金”的功效，加入稀土成分的永磁材料，磁性能要比普通的永磁材料高出4到10倍；而纳米兄弟也同样“身手不凡”，当材料的晶体颗粒达到纳米级时，它的磁性能同样也会大大增强。“本来一个巨人用尽全身力气才能扛起的重量，现在一个小小的铁臂阿童木用一根手指就能轻松搞定。”葛洪良说，“这就是纳米材料的魔力。”
    高性能纳米稀土永磁材料的研究和开发，已经成为世界各国磁性材料领域的研究热点和追求目标。然而，小小的纳米晶粒却给科学家们出了两道大大的难题。
    “极其微小的纳米结构在温度升高时会发生晶粒长大的现象，从而影响性能。”葛洪良说，如何将粉末或条带状的合金材料进一步制备成各种符合生产规格、大小和形状等要求的大块磁体，同时维持材料所必需的纳米结构是第一个难题。
    经研究发现，完全取向磁体的磁能积至少是无取向磁体的4倍。摆在科学家面前的第二个难题就是如何让具有高能力的纳米晶粒们心往一处想，劲往一处使，制作出高磁能的取向纳米复合稀土磁体。
    在过去的十几年里，这两个技术难关一直困扰着人们。以至于真正的块体高性能永磁材料的制造还停留在理论研究层面，未能应用于生产实际。
    古代的工匠们通过千锤百炼冶铁铸剑。可不可以也通过高温高压的方法将纳米复合稀土永磁材料百炼成钢呢？项目组想到了“六面顶液压机”，也就是常说的“人造金刚石”制造机，即可以把软滑的碳粉在高温、高压下制成坚硬的金刚石的机器。但之前却没有人想到用它来加工磁性材料。
    “科技创新有时候就是你想到了别人没想到的，做了别人没做过的事，并且做成了。”葛洪良教授说。当然要做成这件事并不容易。合金的成分配比是多少、超高压数值设定为多少、如何防止纳米颗粒在受热变形时长大、怎样才能让颗粒向着同一个方向生长……经过无数的计算和实验，葛洪良教授带领项目组终于成功找到了利用超高压热变形技术来获得高性能纳米复合永磁材料的新制备方法。
    这个方法成功避免了块体纳米复合永磁材料经高温热压所造成的晶粒尺寸过大和分布不均等问题，并在浙江西子富沃德电机有限公司试生产成功。“我们把研究的成果搬出了实验室，在企业的生产线上造出了这种既廉价又高性能的新型永磁材料产品。”葛洪良说，项目的实施前景很乐观，将会大大提高我国在该领域的研究水平和国际学术地位，同时为浙江省的磁性生产企业占领国际高端产品市场提供机遇。