未来磁性材料将如何突破性能与应用边界？

99ANYc3cd6 01-11 6

默认

摘要： 应用需求牵引与基础研究突破未来的磁性材料发展并非孤立的技术演进,而是由两大力量共同驱动的：应用需求牵引：以新能源、5G/6G通信、人工智能、量子计算、电动汽车为代表的下一代技术，...

应用需求牵引与基础研究突破

未来的磁性材料发展并非孤立的技术演进,而是由两大力量共同驱动的：

（图片来源网络，侵删）

应用需求牵引： 以新能源、5G/6G通信、人工智能、量子计算、电动汽车为代表的下一代技术，对磁性材料的性能提出了前所未有的严苛要求（如更高效率、更高频率、更低能耗、更小尺寸）。
基础研究突破： 凝聚态物理、材料科学、计算科学等领域的飞速发展，特别是人工智能辅助设计、高通量计算和先进表征技术的成熟，使得“按需设计”和“发现新磁性”成为可能。

未来磁性材料发展的主要趋势

高性能化与极限化追求

这是磁性材料永恒的主题，但在未来,其内涵将更加丰富和极致。

超高饱和磁化强度 (Ms) 与高居里温度 (Tc)：
- 目标： 在保持高矫顽力的同时，追求更高的Ms和Tc,这直接关系到永磁体的最大磁能积和软磁材料的高温稳定性。
- 材料体系：
  - 稀土永磁： 继续优化 钕铁硼 和钐钴的成分和工艺，探索减少重稀土（如Dy, Tb）依赖性的技术，如晶界扩散、双主相合金等，探索新型 稀土-过渡金属化合物，如具有极高理论磁晶各向异性的 Fe₁₆N₂，一旦实现量产,将引发革命。
  - 非稀土永磁： 开发基于 铁氮/铁碳、锰铝、纳米复合永磁 (如α''-Fe₁₆N₂/软磁相) 等体系，目标是实现可与稀土永磁媲美的性能，且成本更低、供应链更安全。
超高矫顽力 (Hc) 与高磁晶各向异性 (Ku)：
- 目标： 制备出在极端条件下（如高温、强反磁场）仍能保持稳定磁性的永磁体,这需要材料具有极高的磁晶各向异性。
- 技术路径： 通过织构控制、单晶生长、纳米结构工程（如交换耦合）来最大化Ku效应，开发具有 L1₀ 或 ThMn₁₂ 结构的稀土铁基化合物,其理论Ku值远超传统钕铁硼。
超高饱和磁化强度与低损耗软磁材料：
（图片来源网络，侵删）
- 目标： 用于高频电力电子（如GaN/SiC器件）、5G通信和射频识别,要求材料在高频下具有极低的涡流损耗和磁滞损耗。
- 材料体系：
  - 非晶/纳米晶合金： Finemet (FeSiB)、Nanoperm (FeZrB)、Hitperm (FeCoZr) 等合金家族的持续优化，通过调整成分和退火工艺,获得更优异的高频软磁性能。
  - 软磁复合材料： 将软磁粉末（如纯铁、铁硅铝）与绝缘包覆剂混合压制而成，有效抑制涡流损耗，特别适用于电机、电感等复杂形状部件。

微型化、集成化与多功能化

随着电子设备向小型化、轻量化、智能化发展,磁性材料也必须随之进化。

薄膜与异质结磁性材料：
- 应用： 磁随机存储器、磁传感器、自旋电子学器件。
- 趋势： 通过磁控溅射、分子束外延等技术，在原子尺度上设计和构筑磁性薄膜/超晶格/异质结，利用垂直磁各向异性 实现超高密度存储，利用磁性拓扑绝缘体（如MnBi₂Te₄）探索新奇量子现象。
柔性/可穿戴磁性材料：
- 应用： 柔性电子皮肤、可穿戴健康监测设备（如心率、血压传感器）、电磁屏蔽织物。
- 趋势： 将磁性颗粒（如铁氧体、钕铁硼微粉）嵌入柔性基底（如PDMS、硅胶、织物）中，制备出兼具磁性和柔性的复合材料,关键在于解决磁性能与机械柔韧性之间的矛盾。
多功能磁性复合材料：
（图片来源网络，侵删）
- 目标： 让一种材料同时具备多种功能，实现“结构-功能一体化”。
- 例子：
  - 磁-电复合材料： 将压电相（如PZT）和磁致伸缩相（如Terfenol-D）复合，实现磁场与电场之间的相互调控，用于传感器、换能器。
  - 磁-热复合材料： 结合磁热效应材料（如Gd基合金）和结构材料,用于高效磁制冷。

绿色化、低成本与可持续性

这是应对全球资源、环境挑战的必然选择,也是国家战略安全的考量。

稀土永磁的减量化与替代：
- 减量化： 通过先进的微观结构设计（如晶界工程、双主相结构）,用最少的稀土实现最高的性能。
- 替代： 大力发展前述的 非稀土永磁材料，特别是 Fe₁₆N₂ 和 Mn基合金,并推动其产业化。
回收与再利用：
- 目标： 建立高效的稀土永磁回收体系,实现战略资源的循环利用。
- 技术： 开发从废电机、电子废弃物中高效分离和回收稀土元素（特别是Nd, Dy, Tb）的绿色冶金技术，包括火法、湿法和直接再生技术。
环境友好型磁性材料：
- 目标： 减少生产过程中的有毒有害物质使用。
- 例子： 开发无铅的 软铁氧体，减少对环境的污染；优化生产工艺,降低能耗和碳排放。

智能化与新物理机制的探索

这是未来磁性材料最具颠覆性的方向,有望催生全新的信息技术范式。

自旋电子学：
- 核心： 利用电子的自旋而非电荷进行信息传输和处理，具有低功耗、高速度、非易失性的优势。
- 关键材料：
  - 磁性隧道结： MRAM的核心，需要高隧穿磁电阻率的铁磁电极/势垒/铁磁电极 结构。
  - 自旋轨道矩/自旋霍尔效应材料： 如Ta, W, Pt 等重金属，可以利用电流产生的自旋矩高效地翻转磁矩,降低MRAM的写入功耗。
  - 拓扑绝缘体/半金属： 如Bi₂Se₃, Cr(Va)GeTe₂，其表面/边缘存在受拓扑保护的导电态,是实现高效自旋电流源和新型量子器件的候选材料。
磁电耦合与多铁性材料：
- 核心： 实现磁有序和电有序的相互调控，即用电场控制磁性,或用磁场控制电极化。
- 应用： 超低功耗存储器、新型传感器、量子器件。
- 趋势： 从传统的单相多铁体（如BiFeO₃）转向多相复合多铁体和界面/应变工程,以增强磁电耦合效应。
反铁磁自旋电子学：
- 核心： 利用反铁磁材料作为信息载体，反铁磁材料具有超高响应速度（THz量级）、超高密度和对外界磁场不敏感的优点。
- 挑战与突破： 难点在于如何有效地“写入”和“读取”反铁磁矩，近年来，利用自旋电流（如Néel自旋轨道矩）成功操控反铁磁矩的突破，为该领域打开了大门。Mn₃Sn, Mn₃Ir, CoO, NiO 等材料成为研究热点。
人工智能辅助材料发现：
- 趋势： 将AI/机器学习用于磁性材料的高通量计算、性能预测和逆向设计。
- 影响： 极大地加速新材料的研发周期，从传统的“试错法”转向“数据驱动”和“理论指导”的模式,有望发现具有新奇磁效应和优异性能的新型材料。