互动科普

推进更强磁体的研究

撰文  尼古拉·琼斯（Nicola Jones）

翻译  赵峰

超强磁体有望大力推进电动车和其他的绿色技术，但为什么制造这种磁体如此之难呢？

        圣诞节到来时，磁学研究者威亷·麦克卡莱姆（William McCallum）收到的礼物是一个当今最新潮最酷的玩具：“布基球：让你爱不释手的神奇磁体球！＂这种磁球的确是最先进的——它们的磁性是如此之强，如果它们是正方体而不是球体的话，你就根本不可能把它们拉开。但如果麦克卡莱姆的研究成功的话，他的团队一定会让布基球的磁性也只是小菜一碟。

麦克卡莱是美国艾姆斯市艾奥瓦州立大学的材料科学家，他正在设法同时解决两大难题：磁体的强度和成本。在20世纪的大部分时间里，可用磁体的强度每隔10年或20年增加一倍，但从90年代开始停滞不前。这种局限妨碍了进一步提高电动汽车等高科技产品的效能。而在过去两年中，制作更强磁体所必须的稀土元素的成本直线上升。在2010年，氧化钕（neodymium oxide）价格就从每千克17美元涨到了85美元。　

尽管他们被称为稀土，但钕等稀土元素并非真的是稀有元素，只是它们的提炼加工过程十分昂贵。目前全世界每年稀土生产总量为96,000吨，中国提供其中的95％，尽管这些元素的需求量不断增长，它们的出口却受到越来越严格的限制。由它们制成的磁体，是移动电话、笔记本电脑、高效洗衣机等现代技术的核心。而营建绿色经济所需的许多设备都需要大量的这些磁体：每辆电动车要几千克稀土元素，每台3兆瓦的风力发电机大约得用1.5吨磁体。美国伊利诺伊州卡彭施维尔的技术金属研究公司的创始人及技术顾问加雷思·哈奇（Gareth Hatch）说， 稀土的年需求从20世纪80年代的30 000吨增加到了2010年的120 000吨（部分原因是有一些国家耗尽了库存），并且，预计2015年将达到200 000吨（见《市场力量》）。

幸运的是，目前有关如何制作“下一代磁铁”的主导概念可以同时解决这两个问题。这一概念涉及到把稀土磁体纳米颗粒和相对廉价磁性纳米粒子相结合，从而制造出便宜得多但却具有超强磁性的最终产品。热心于投资节能技术的各国政府，在受到全球性稀土市场冲击的困扰下，已经开始注重磁性材料的研究了。

美国能源部已于2009年成立了专门从事能源研究的先进研究项目署能源部（Advanced Research Projects Agency -Energy，ARPA-E），目的是将高风险、有转化潜力技术推向市场。ARPA- E已斥资660万美元来进行下一代磁体的研究——这无疑为该领域助注射了一剂强心针。美国纽瓦克市特拉华州大学的物理学家乔治·哈吉帕拉（George Hadjipanayis）说：“我们早该这样做了。”哈吉帕拉是ARPA- E 一个440万美元项目的负责人，麦克卡莱也参于其中。

永久磁体的拉力来源于它们未配对电子的自旋和绕轨道运行产生的电流，这些电流产生的磁矩会顺着外部磁场排列，即使当外加磁场撤除后也会保持这种排列。永久磁体的主要性能指标是“磁能积（magnetic energy product）”，以每立方米千焦耳（kJm−3）为单位。 磁能积是磁体对外加磁场的响应程度（磁化）及其抵抗被消磁能力的综合参数。这些属性并不总是齐头并进的——例如铁钴合金具有目前所知的最大的磁化强度， 但由于它非常容易被消磁， 所以它的磁能积为零：它有一个对称的立方晶体结构，其电子自旋不能固定指向任何一个方向， 因为它们任何的排列取向都可以轻易地被附近的磁场或其他扰动所打乱。

同步旋转

较新的磁性材料都有比较复杂的晶体结构，从而有助于保持电子自旋向着一个方向。在20世纪50年代，最先进的磁体是由铁，铝，镍和钴合金制造的“磁钢（Alnico）”，其磁能积达到了40kJm - 3（见《被拖延的进展》）。20世纪60年代出现了由钐和钴制成的第一代稀土永磁材料，其磁能积最终超过了250kJm -3。在20世纪80年代，科学家又研制出钕铁硼（NIB）磁铁，其磁能积约470kJm -3，是有史以来的最高纪录。如果磁铁必须在如汽车发动机这样的高温环境下工作， 就要添加稀土元素镝到磁钢中，以提高它们的耐高温能力。

科学家的梦想是将铁钴这类强磁力的磁体同钕铁硼（NIB）这类高抗消磁性能的磁体相结合。如果能将这两类磁体的纳米粒子结合得足够紧密， 使其相邻电子互相影响， 自旋一致， 这个梦想是有可能实现的。从理论上讲，纳米复合材料磁能积可高达960kJm - 3，其中稀土只占其重量的5％；而在普通的钕铁硼磁体中稀土占了27％。但是，要制造出这种复合材料异常困难。一个成功的纳米复合磁体要由非常小的晶粒（10纳米以内）组成；要有合适的晶体结构；要有一致的磁场方向，并且结合紧密。要实现所有这些要求简直是一个技术噩梦。最重要的是，稀土纳米粒子很不稳定 ——它们极易与氧气发生反应而损坏磁性。

2006年，美国马萨诸塞州阿灵顿得克萨斯大学的物理学家刘平领导的团队开创了一种工艺方法：在含有清洁剂的溶液中，用钢球磨碎具有所需晶体结构的磁性颗粒。 “在发表文章之前，我让几个博士后做了好几年这种工作”， 刘平说：“为此他们恨透了我。”这种方法让刘平的实验室制成了纳米尺寸的颗粒，它们不会相互粘附而且能保持其磁性。哈吉帕拉告诉记者他正在使用相同的技术，并称在过去的一年他已经能够把磁性颗粒减小到2.7纳米。

更困难的是将这些纳米颗粒制成整块的磁体。目前使用的标准技术——将粉末颗粒加热到800-1000℃ 并压制在一起——会使得颗粒互相扩散而变大，以至不能再产生纳米复合材料的协同效应。另一种方法——使用聚合物粘合磁性颗粒——则会稀释磁性物质。但总还有其他方法。哈吉帕拉计划使一组纳米粒子带上正电，另一组带上负电，利用静电吸引力将它们结合在一起。刘平的团队将半克左右的纳米颗粒在热压装置中挤压30分钟， 而不是通常的半分钟，同时给它们略微加热（约500℃）以帮助它们变形，而又不会因为太热而破坏它们的性能。使用这种方法，刘平设法制成了相对强而且致密的磁体，但磁性颗粒还不能完全定向排列，因此磁体的磁能积仍然比标准的钕铁硼磁体弱。

定向排列已成为最后一道难关。刘平的研究小组正在试图通过将磁体进行第二次缓慢压缩来清除这道最后的障碍，但是到目前为止效果有限。研究人员正在不断揣摩细节，试图摸索出一个有效的方案。刘平说：“我希望能在退休之前攻克这个难关。”

企业竞争

刘平有可能在达到这一最后期限前被他的竞争对手们所超过。总部设在美国康涅狄格州费尔菲尔德的通用电气公司的技术部门已获得ARPA-E 220万美元的研究经费，并加强了该公司的磁体研究团队来研究纳米复合材料。该公司告诉《自然》记者，他们从今年1月份起开始实验工作，已经掌握了一个制作晶粒的好方法，但不愿透露更多细节。

去年12月，美国能源部发表了《关键材料战略书》（Critical Materials Strategy)，其中概述了三项措施来解决稀土元素短缺：取得新的供应渠道、促进回收和进行替代品的研究，如下一代永磁材料。刘平相信，这种对更强磁体研究的推动是一个可喜的变化，将会得到巨大回报。根据他的计算，如果用于电动车的磁体强度增加一倍，其电动机效率会相应增加约70％——尽管根据磁铁和发动机设计不同，该数值而可能大相径庭。

刘平还告诉记者说，尽管美国看来正在为研制最强磁铁作着最一致的努力，但其他国家也已为磁性材料研究作出了更大的投入。中国十二五经济计划包括一个大举措—— 据报道超过4万亿人民币投资——来推动七大新兴战略产业的发展，包括能源系统、清洁汽车和新材料。根据刘平和哈奇等观察人士的预计，这样的投资将会产生巨大效应。日本为发展高科技工业，已经在磁体研究上投入巨资，并且政府与产业界紧密合作——虽然日本最大的磁性材料研究中心之一——位于仙台的东北大学遭受了3月日本大地震和海啸的严重打击。

去年，欧洲联盟研究筹资机构拨出了400万欧元研究经费，呼吁各个研究小组提交发展新型材料的申请，目的是完全取代稀土。但大多数研究人员都认为这做得太过头了。 “从科学层面看，这是一个笑话”， 刘平对这项企图从强磁体中完全去除稀土的举措如此评论。法国格林诺布尔路易斯·尼尔研究所的磁性研究者多米尼克·吉沃尔（Dominique Givord）告诉记者说，几家大实验室的申请已经被拒绝了，只因为它们的目标仅仅是降低磁体中稀土的含量。

大多数研究人员也承认，制造下一代纳米复合磁体是一个长期目标。日本筑波国立材料科学研究所的宝野和博（Kazuhiro Hono）说：“我知道，美国已经在开展更多这方面的研究，但我觉得，他们的目标有点过于野心勃勃了。”吉沃同意 “这是极其具有挑战性的课题。”不过，他觉得更现实的途径是尝试通过改变材料的微观结构，使现有磁体变得更强，并更便宜一点”。在日本，这些努力已经减少了对镝的需求。

但在该领域工作了近20年的哈奇认为， 下一代磁体是值得我们去全力以赴的。“是的，这的确是野心勃勃，但这也正是为什么我们需要去做。”他说：“现在正是该投资的时候。”

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MARKET FORCES

市场力量
对钕铁硼磁铁需求的急剧上升导致产量的迅速增长，直至2007年，但全球经济危机造成了短暂的衰退。

Global production (thousand tonnes)

全球产量（千吨）

STALLED PROGRESS

被拖延的进展
在二十世纪的大部分时间里，随着新材料的不断引进，磁铁强度每十年左右都有一次飞速发展。 这一发展速度已放缓，但研究人员希望能够尽快实现又一次的飞跃。

Energy product (kJ m–3)

磁能积（kJm- 3）

SOURCE: W. T. BENECKI, T. K. CLAGETT & S. R. TROUT PERMANENT MAGNETS 2010–2020 (2010)

数据来源：W·T·本尼基（W. T. Benecki）， T· K·克拉格特（ T. K.Clagett）和S·R·曹特（S. R. Trout）《永磁体2010-2020（2010）》（Permanent Magnets 2010–2020 ）

“YES, IT IS AMBITIOUS, BUT THAT’S EXACTLY WHY WE NEED TO BE DOING IT.”

  “是的，这的确是野心勃勃，但这也正是为什么我们需要去做。”

本文作者

Nicola Jones is a freelance journalist based near Vancouver,Canada.

尼古拉·琼斯是一名自由记者，现居加拿大的温哥华附近。