磁性材料應(yīng)用歷史悠久，從中國古代“四大發(fā)明”就開始了?，F(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展所需的計(jì)算機(jī)、通信、新能源、新家電、汽車無不建立在磁性材料產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)上。現(xiàn)代社會，人均磁性材料使用量，已經(jīng)成為衡量一個國家科技發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志。
   

一、磁性材料的基本概念

    1.磁性材料定義
    磁性材料是功能材料的一種，主要指利用材料的磁性能和磁效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對能量和信息的轉(zhuǎn)換、傳遞、調(diào)制、存儲和檢測等功能作用的材料。
    2.磁性材料分類及其主要應(yīng)用領(lǐng)域
    磁性材料按照磁性能特征主要分為軟磁、硬磁、半硬磁三類。由于磁性材料主要用于能量和信息的傳遞、轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，所以在電子信息產(chǎn)業(yè)和節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的今天具有廣闊的用武之地。
    (1)軟磁材料
    指較容易磁化和去磁的材料， 磁感應(yīng)強(qiáng)度較高。普遍運(yùn)用于通訊、廣播、電視、儀表等需要對外磁場變化有高靈敏性反應(yīng)的領(lǐng)域。它是發(fā)展較早、品種最全、產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣泛的磁性材料。在軟磁材料中，鐵氧體軟磁是目前使用最廣泛、品種最多、性價比最高的類型。鐵氧體軟磁是信息材料支柱產(chǎn)業(yè)之一，全球電子信息產(chǎn)業(yè)、新型照明技術(shù)、電子產(chǎn)品數(shù)字化等飛速發(fā)展極大地推動了對軟磁鐵氧體材料的需求。
    (2)硬磁材料
    又稱為永磁體，這是因?yàn)樗?jīng)磁化后仍能保持較強(qiáng)的磁性。大量應(yīng)用于電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、揚(yáng)聲器、軸承、緊固件和傳動裝置等需要一個有恒定磁場的領(lǐng)域。永磁材料的主體是稀土永磁和鐵氧體永磁。稀土永磁材料應(yīng)用廣泛、需求量大、前景樂觀，如核磁共振、計(jì)算機(jī)及設(shè)備、移動通訊設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電及電梯等都需要大量的稀土永磁材料，電動汽車、混合動力汽車、永磁變頻空調(diào)更是國內(nèi)稀土永磁市場的新增長點(diǎn)。鐵氧體永磁材料主要占據(jù)傳統(tǒng)中低端產(chǎn)品領(lǐng)域， 如揚(yáng)聲器、吸附磁體、玩具電機(jī)、磁選器件。
    (3)半硬磁材料
    性能介于軟磁材料和硬磁材料之間，特點(diǎn)是在小于一定的外部干擾磁場下具有穩(wěn)定的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度(類似硬磁性材料)，但在大于一定的磁場條件下易于改變磁化方向(類似軟磁材料)。半硬磁材料是一種用作動態(tài)使用的材料， 在當(dāng)今趨于智能化的社會，動態(tài)使用情況日益增多，大量用于硬盤、磁帶、信用卡等信息存儲設(shè)備以及繼電器、半固定存儲器和警報(bào)器等設(shè)備中，有很好的發(fā)展前景。
   

二、我國磁性材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的主要問題

    1.磁性材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程
    縱觀世界磁性材料發(fā)展歷程，大致可以分為以下4個階段:
    (1)20世紀(jì)30年代，鋁-鎳-鈷永磁(AlNiCo)，特點(diǎn)是工作溫度可高達(dá)600℃以上。
    (2)20世紀(jì)50年代初，鐵氧體磁體，特點(diǎn)是磁能積和工作溫度較高。
    (3)20世紀(jì)60年代末，釤-鈷磁體(Sm-Co)，包括第一代稀土永磁SmCo5和第二代稀土永磁Sm2Co17，特點(diǎn)是防腐防銹耐高溫能力強(qiáng)。
    (4)20世紀(jì)80年代開始， 第三代稀土永磁釹鐵硼(Nd-Fe-B)，特點(diǎn)是磁能積高、體積小、重量輕。釹鐵硼具有目前磁性材料最高性能，在永磁材料中發(fā)展最快，2000年稀土磁體產(chǎn)值首次超過了鐵氧體的產(chǎn)值，此趨勢與日俱增，將是21世紀(jì)磁性材料的主角。
    最新型的磁性材料也開始研發(fā)，2012年2月初，日本東北大學(xué)研究生院等科研團(tuán)體宣布， 已成功合成“強(qiáng)磁性氮化鐵”，一種無需稀土即可獲得強(qiáng)力磁鐵的基礎(chǔ)技術(shù)，磁力可與用于混合動力車的發(fā)動機(jī)和家電的釹磁鐵相匹敵，但離產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走。
    2.我國磁性材料發(fā)展現(xiàn)狀
    我國磁性材料的使用雖然歷史悠久，但形成一個產(chǎn)業(yè)還是在20世紀(jì)80年代之后快速發(fā)展的結(jié)果。習(xí)慣上， 某個國家或地區(qū)磁體產(chǎn)量占世界一半以上即為“全球磁體產(chǎn)業(yè)中心”。進(jìn)入21世紀(jì)后，以產(chǎn)量定義的該“中心”從二戰(zhàn)前的歐洲、二戰(zhàn)后的美國、70年代后的日本已轉(zhuǎn)移到當(dāng)今的中國。
    至2013年9月末，全國磁性材料企業(yè)總數(shù)為474家(規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)之和， 下同)，2012年全國磁性材料工業(yè)總產(chǎn)值總額達(dá)到576.87億元，其中鐵氧體永磁材料工業(yè)總產(chǎn)值為128.74億元(占比22.32%)；釹鐵硼永磁材料工業(yè)總產(chǎn)值為240.46億元(占比41.68%)；鐵氧體軟磁材料工業(yè)總產(chǎn)值為185.46億元( 占比32.15%)，其他磁性材料占3.85%。以上同期，浙江省磁性材料企業(yè)總數(shù)、工業(yè)總產(chǎn)值對應(yīng)為257家、291.47億元，均占全國一半以上。
    磁性材料行業(yè)屬于資源和人力密集型制造業(yè)，原材料成本占50%以上。我國擁有全球最大的稀土儲量和產(chǎn)量。出于競爭和成本的考慮，歐美和日本陸續(xù)將其永磁材料的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到中國，自身則向附加值高的磁體下游器件產(chǎn)品轉(zhuǎn)移。2000年以后，美國和歐洲的產(chǎn)量持續(xù)下滑，2004年美國燒結(jié)釹鐵硼磁體的生產(chǎn)已完全停止。歐洲目前僅德國和芬蘭保有一定的產(chǎn)量，均只生產(chǎn)高性能釹鐵硼永磁材料。日本受經(jīng)濟(jì)不景氣影響，近年來稀土永磁體產(chǎn)量亦持續(xù)下滑。
    中國燒結(jié)釹鐵硼產(chǎn)地分布以浙江省(產(chǎn)量占全國總量的一半以上)、山西地區(qū)(占全國產(chǎn)量的五分之一以上)為主。釹鐵硼永磁生產(chǎn)對環(huán)境(溫度、濕度)極為敏感，生產(chǎn)能耗大。山西有一定的氣候、能源和原料區(qū)位優(yōu)勢，但浙江寧波企業(yè)在20世紀(jì)90年代率先獲得了生產(chǎn)專利，以寧波中科三環(huán)、寧波韻聲為龍頭的釹鐵硼磁材企業(yè)形成了規(guī)?；募喊l(fā)展。寧波釹鐵硼磁性材料生產(chǎn)總量占全國的40%～50%， 產(chǎn)品出口量占全國60%，全球市場的20%，成為國際著名的釹鐵硼生產(chǎn)基地和貿(mào)易中心。寧波中科三環(huán)、寧波韻升已成為世界上最大的釹鐵硼生產(chǎn)企業(yè)之一。
    3.我國磁性材料產(chǎn)業(yè)存在的主要問題
    (1)綜合研發(fā)能力低、高端產(chǎn)品成品率低
    就普遍采用的生產(chǎn)工藝而言，我國磁性材料行業(yè)大部分企業(yè)仍然屬于勞動密集型企業(yè)。我國現(xiàn)有專門從事磁性材料研究開發(fā)的專業(yè)機(jī)構(gòu)數(shù)量偏少，科研實(shí)力不強(qiáng)。特別是永磁產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)品深加工和后處理工藝上能力不足，高端應(yīng)用領(lǐng)域高性能釹鐵硼永磁材料產(chǎn)品的技術(shù)門檻被國外先進(jìn)企業(yè)壟斷，造成我國永磁成品的性能很少能夠滿足高端市場的差異化需求，也很少具有更好的綜合性能。因此，在釹鐵硼永磁應(yīng)用最多的計(jì)算機(jī)VCM(硬盤驅(qū)動器音圈電機(jī))、新型電機(jī)、MRI(核磁共振成像)等高端產(chǎn)品領(lǐng)域，我國產(chǎn)品所占的市場份額較小。同時，由于永磁產(chǎn)業(yè)下游行業(yè)的拉動更多來自于國外廠商，因此，在磁體的整機(jī)研發(fā)能力方面，我國的永磁機(jī)械制造商與國外相比也存在劣勢。
    (2)產(chǎn)業(yè)組織化程度低、產(chǎn)品雷同
    我國磁材企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同開發(fā)(聯(lián)合設(shè)計(jì)、共同試驗(yàn))、多工廠協(xié)同制造(統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一認(rèn)證)、對標(biāo)管理(企標(biāo)、行標(biāo)、國標(biāo)、國際標(biāo)準(zhǔn))等方面做的很少，產(chǎn)業(yè)組織化程度低，產(chǎn)品雷同，市場極為分散，生產(chǎn)經(jīng)營幾乎完全處于被動應(yīng)對市場的初級階段，產(chǎn)品和技術(shù)開發(fā)處于混沌狀態(tài)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)未能形成企業(yè)自有體系。同時，我國因上游電子整機(jī)及關(guān)鍵部件核心技術(shù)開發(fā)環(huán)節(jié)的缺失， 電子產(chǎn)品關(guān)鍵部件靠進(jìn)口，新產(chǎn)品開發(fā)的第一桶金我們得不到，我國磁材企業(yè)只能做成熟的中低端市場，企業(yè)盈利能力極大削弱，磁材產(chǎn)品定價權(quán)缺失，嚴(yán)重影響我國軟磁產(chǎn)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平的提高。
    (3)專利和標(biāo)準(zhǔn)受制于人
    目前，磁性材料的標(biāo)準(zhǔn)基本集中在3個方面:一是鐵氧體磁芯及變壓器、電感器鐵芯的尺寸標(biāo)準(zhǔn)；二是質(zhì)量認(rèn)證用磁芯和元器件的標(biāo)準(zhǔn)；三是測量方法及一些基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。多年來，以英、法、德為主的西歐、美國，一直將很多精力和時間放在國際和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化活動上，企圖長期控制國際標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)大權(quán)，并且不遺余力地把本國標(biāo)準(zhǔn)變成國際標(biāo)準(zhǔn)。所以磁性材料標(biāo)準(zhǔn)采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)和IEC(國際電工委員會)標(biāo)準(zhǔn)比例較大，而我國磁性材料標(biāo)準(zhǔn)與之相比有較大差距，對我國磁性材料產(chǎn)業(yè)參與國際貿(mào)易極為不利。
    此外高端磁材釹鐵硼的燒結(jié)和粘結(jié)工藝專利主要由日本和歐美企業(yè)所把持，這一專利許可費(fèi)用高達(dá)幾百萬美元， 代表企業(yè)以麥格昆磁(美國Magnequench)和住友特殊金屬(日本Neomax)為主，雖然我國釹鐵硼磁體生產(chǎn)廠家達(dá)到100多家， 然而具有專利授權(quán)的企業(yè)只有5家。雖然釹鐵硼磁體專利在2003年后大部分已經(jīng)失效， 但麥格昆磁和Neomax公司卻通過專利延伸和專利網(wǎng)戰(zhàn)略極大地延伸了專利保護(hù)期。
   

三、磁性材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的計(jì)量需求

    綜上所述我國磁性材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題，無論是研發(fā)和產(chǎn)業(yè)組織問題， 還是專利和標(biāo)準(zhǔn)問題，歸根結(jié)底都與磁性材料的生產(chǎn)工藝流程控制有關(guān)。磁性材料在生產(chǎn)工藝流程的關(guān)鍵領(lǐng)域和關(guān)鍵參數(shù)中存在大量檢定、校準(zhǔn)和檢測的計(jì)量需求。下面以釹鐵硼磁材的燒結(jié)法工藝流程為例進(jìn)行說明，其他類型的磁材工藝流程與之大同小異，工藝的關(guān)鍵領(lǐng)域和關(guān)鍵參數(shù)可以相互借鑒。
    1.釹鐵硼磁性材料燒結(jié)法工藝流程
    工藝流程主要包括以下12個環(huán)節(jié): 原材料準(zhǔn)備(原材料成分分析、設(shè)計(jì)、配料與稱料)→熔煉→速凝鑄片→破碎→制粉→混料→磁場取向與壓型→燒結(jié)→回火→機(jī)械加工(磨、切、削)→表面處理(電鍍)→成品質(zhì)檢(含充磁、包裝)。
    2.釹鐵硼磁材生產(chǎn)的關(guān)鍵領(lǐng)域和關(guān)鍵參數(shù)
    要生產(chǎn)出高品質(zhì)并且性狀穩(wěn)定的釹鐵硼磁材產(chǎn)品，從其工藝流程的過程控制中分析主要是以下幾個關(guān)鍵領(lǐng)域。
    (1)原材料配料
    制造高檔燒結(jié)釹鐵硼永磁體，一般要求稀土金屬總含量達(dá)到99.5%以上。因此，需要通過運(yùn)用特殊的計(jì)量器具(如電感耦合等離子發(fā)射光譜儀)對原材料純度、雜質(zhì)進(jìn)行確定。這一步是整個工藝流程的前提。
    (2)熔煉
    必須保證配料好的各種金屬完全熔化，形成均勻熔融的液體，而這些金屬熔點(diǎn)很高(如釹的熔點(diǎn)高達(dá)2450℃)又極易氧化，因此如何確保高溫和高真空度的熔煉環(huán)境是一個難點(diǎn)。
    (3)速凝鑄片(快淬工藝)
    這是獲得高性能燒結(jié)釹鐵硼永磁材料的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過準(zhǔn)確的冷卻速度得到正確的合金成分設(shè)計(jì)和良好的鑄錠微結(jié)構(gòu)， 使磁體成分結(jié)構(gòu)盡可能接近Nd2Fe14B成分(即釹鐵硼比例接近2∶14∶1)，富Nd相分散均勻，基本不存在α-Fe相，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。
    (4)制粉
    要確保破碎好的物料在制粉階段達(dá)到(3～4)μm的顆粒尺寸， 并且此尺寸的顆粒比例要求要達(dá)到95%。磁粉要求顆粒小且分布窄，同時顆粒形狀要盡量呈球形， 制粉過程也要在高純氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下防氧化。
    (5)燒結(jié)與回火
    通過燒結(jié)提高磁粉壓坯的密度，改善磁體的顯微組織特征，通過兩次回火使富稀土金屬相薄層的界面更加清晰光滑連續(xù)，提高矯頑力。這個過程的難點(diǎn)是燒結(jié)和兩次回火的溫度控制，以及回火的真空或高純氮?dú)獗Ｗo(hù)狀態(tài)。
    (6)成品質(zhì)檢
    主要是磁性比較檢測、磁熱穩(wěn)定性和表面防腐蝕性能測試。難點(diǎn)在規(guī)格過大和過小磁材的檢測、磁性能精密測量能力， 以及表面防護(hù)鍍層結(jié)合力與厚度的測量。綜上所述幾個關(guān)鍵領(lǐng)域中的主要關(guān)鍵參數(shù)依次為:稀土原料純度(Nd/Fe/B等稀土元素的含量及比例)、超高溫溫度、氮?dú)饧兌取⒑趿俊⒄婵斩?、磁粉粒徑、磁化曲線、矯頑力、居里溫度、密度等關(guān)鍵參數(shù)。
    3.磁性材料關(guān)鍵領(lǐng)域中關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)量需求
    以上工藝過程中這些關(guān)鍵參數(shù)全部可以轉(zhuǎn)化為對計(jì)量的需求。歸納一下主要涉及五大類計(jì)量指標(biāo):
    (1)理化量(主要是Nd/Fe/B等稀土元素的含量及比例、氮?dú)饧兌?、含氧?。
    (2)溫度量(主要是超高溫溫度、居里溫度)。
    (3)力學(xué)量(主要是真空度、密度)。
    (4)幾何量(主要是磁粉粒徑、鍍層厚度)。
    (5)電磁量(主要是磁化曲線、矯頑力等磁性能指標(biāo))。
    這五大類計(jì)量指標(biāo)涉及的計(jì)量需求突出地體現(xiàn)在3個方面: 一是磁材的在線生產(chǎn)過程中需要對這些指標(biāo)進(jìn)行計(jì)量監(jiān)控；二是涉及這些指標(biāo)的專用計(jì)量儀器設(shè)備需要進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)；三是這些指標(biāo)涉及的有關(guān)具體物質(zhì)需建立或完善相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)以備量值溯源的需要。
    4.計(jì)量測試技術(shù)在磁性材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的主要作用
    (1)通過關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時在線計(jì)量，滿足磁材工藝流程中這些參數(shù)動態(tài)量、連續(xù)量、極端量的過程控制需求。
    在工藝過程控制中按照優(yōu)質(zhì)磁材生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)要求，對爐內(nèi)高溫溫度及分布、氧含量、氮?dú)饧兌?、真空度、磁粉粒徑等這些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行在線計(jì)量監(jiān)控，確保這些關(guān)鍵指標(biāo)在連續(xù)量、動態(tài)量和極端量上滿足要求，以提高磁材產(chǎn)成品的成品率和性能穩(wěn)定性。
    (2)制定和完善磁性材料產(chǎn)業(yè)專用計(jì)量儀器的檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范，保障產(chǎn)業(yè)發(fā)展中關(guān)鍵參數(shù)的準(zhǔn)確性。
    目前在磁性材料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的專用計(jì)量儀器設(shè)備，如加速老化試驗(yàn)箱、鹽霧試驗(yàn)箱、含水率測量儀、金相分析儀等都缺乏相應(yīng)的檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范，應(yīng)抓緊制定和完善這些規(guī)程和規(guī)范，在進(jìn)行磁材性能測試過程中保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
    (3)建立和完善磁性材料關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵參數(shù)的量值傳遞能力。
    磁性材料產(chǎn)業(yè)專用設(shè)備如真空計(jì)、X射線熒光鍍層測厚儀、永磁磁性能測試儀、特斯拉計(jì)等計(jì)量設(shè)備數(shù)量較少，計(jì)量需求相對較低，量值傳遞覆蓋率低的情況嚴(yán)重。因此需建立和完善磁材產(chǎn)業(yè)專用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)空白，提高產(chǎn)業(yè)量值傳遞的能力和覆蓋率。
    (4)針對磁性材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)瓶頸，提升關(guān)鍵參數(shù)計(jì)量能力，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)核心競爭力。
    當(dāng)前磁性材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)瓶頸主要是部分關(guān)鍵參數(shù)的在線測試?yán)щy。燒結(jié)法釹鐵硼永磁的技術(shù)瓶頸主要表現(xiàn)在物料高溫在線測試、真空度在線控制、磁粉粒徑在線測試、氣體成分在線分析等方面。通過計(jì)量測試技術(shù)的科技創(chuàng)新，研制和運(yùn)用滿足這些在線測試要求的專用計(jì)量測試系統(tǒng)，必將提高磁性材料產(chǎn)業(yè)的核心競爭力。