磁性材料范文
时间：2023-10-15 16:46:55
磁性材料篇1
2、基于磁电作用原理的应用主要有：磁控管和行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。
3、基于磁力作用原理的应用主要有：磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计等。
其他方面的应用还有：磁疗、磁化水、磁麻醉等。
软磁材料的功能主要是导磁、电磁能量的转换与传输。
磁性材料篇2
关键词：材料属性；管道；永磁体；励磁
0.引言
我国长管道运输石油天然气等资源的方法已有几十年的历史，期间虽然多次对管道进行维护但仍存在腐蚀等原因产生的缺陷，存在安全隐患。近年来，我国多地发生管道天然气泄漏事件，爆炸造成了巨大的经济损失。对管道进行缺陷检测就显得尤为必要。管道检测包括多种方法，如涡流检测、超声波检测、磁粉检测、漏磁检测等等[1]。其中漏磁检测的前提是对管道进行磁化，提高磁化效率就能间接地提高检测效率，所以，研究讨论材料属性对漏磁检测励磁过程的影响是有必要的。
1.漏磁检测基本理论
1.1漏磁检测介绍
漏磁检测是一种无损检测方法，它具有无需耦合剂、安全高效、检测效果准确的特点，也有检测目标必须为铁磁性材料的弊端，它不同于压电超声检测等方法，需要进行接触式检测且需涂抹耦合剂采集信号[2]，也不同于磁粉检测等传统方法，只能得到工件表面或者近表面是否有缺陷的信息[3]，对漏磁检测信号进行分析可以获得缺陷的类型、大小以及存在于管道的位置，是一种十分安全高效的无损检测方法。
1.2漏磁检测原理
进行漏磁检测，首先需要对铁磁性材料（管道）进行励磁，通常采用永磁励磁的方法，将管道磁化至饱和或近似磁饱和后，由检测器和管道构成闭合的磁路，在管道有缺陷处，磁力线会分三部分经过缺陷，一部分在管道内部绕过缺陷，一部分穿过缺陷后继续进入管道，还有一部分会在缺陷处“漏出”，检测器包括磁敏元件如常见的霍尔传感器，会对“漏出”的磁力线进行检测，将磁信号转换为电信号，经过后续电路对信号的放大滤波处理，在计算机上显示出来，通过分析信号的各项参数得到缺陷的类型、尺寸、位置等相关信息[4]。
1.3漏磁检测装置
漏磁检测装置包括以下几个主要部分：动力节、测量节、记录节、电池节、万向节、行走轮、橡皮碗等。其中测量节包括刚刷、轭铁、励磁装置以及磁敏探头几个部分。通过动力节以及前后压差致使检测装置在管道内进行内检测过程；记录节是对检测的信号进行存储，在检测结束后，通过电路的后续处理，对信号进行分析研究；测量节的几个部分与管道共同构成闭合磁路，通过漏磁检测的原理对漏磁信号进行采集。
1.4磁化方式
磁化方式根据励磁磁源可以分为三种：直流磁化、交流磁化以及永磁磁化[5]。
（1）直流磁化。直流磁化一般要求激励源有几安培至上百安培，对管道进行磁化可以控制电流的大小进而控制磁化的强度。直流磁化可以直接检测管道的内外壁缺陷并且可以检测到深度十几毫米的表面层下缺陷。
（2）交流磁化。交流磁场容易产生趋肤效应和涡流，且磁化的深度随着电流频率的增高而减小。交流磁化可以检测表明较为粗糙的试件但是不适用与表面一下的缺陷，对于管道检测来说，在管外壁磁化不能同时检测管壁内壁的缺陷。
（3）永磁磁化。永磁磁化利用永磁体作为励磁源，通常可以用永磁铁氧体、铝钴镍永磁材料及稀土永磁材料等。这几种材料各有利弊，对于不同的永磁材料，在磁路设计上应根据各自的磁特性，充分发挥其优点，以使磁路达到最优。永磁体作为励磁源具有体积小、重量轻且不需要电源的优点，所以永磁磁化方式是在线漏磁检测设备中磁化被测管道的优选方式。
2.材料属性对漏磁检测励磁过程的影响仿真分析
2.1有限元分析软件Comsol
Comsol是一个可以对多物理场进行耦合的有限元分析软件，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，模拟科学和工程领域的各种物理过程。它是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真，用数学方法求解真实世界的物理现象。范围涵盖从流体流动、热传导、结构力学、电磁分析等多种物理场，用户可以快速的建立模型，切定义模型十分灵活，材料属性以及边界条件可以是常数、任意变量的函数、逻辑表达式、或者直接是某个代表实测数据的差值函数等。
2.2永磁励磁仿真模型
利用Comsol软件，在几何中建立永磁体模型，在材料中定义永磁体材料为软铁（无损耗），并在边界条件中定义永磁体材料为“磁化”，磁化方向为Y轴正方向，设置矫顽力为938000A/M；建立励磁装置与磁化目标中间介质几何体，材料分别定为铜、玻璃板、轭铁材料（与磁化目标属性相同）、空气层四种材料，模型如图1所示。在磁化目标位置设置三维截线，以对截线处的磁感应强度进行测量，从而讨论不同材料属性对励磁过程的影响。经过网格划分、加载稳态求解，计算后得到如图2所示励磁装置磁力线分布仿真图，分别对四种材料的三维截线处测量磁感应强度数值。
2.3仿真结果分析
四种材料在材料属性定义时已知各材料的相对磁导率分别为：铜0.99990；玻璃板1.00000；空气层1.00007；轭铁材料为铁磁性材料，其相对磁导率不是一个定值，故用一组BH数值定义其材料属性，如表1所示。
通过对三维截线处的磁感应强度进行测量，得到其测量值为：铜99.70030005664417；玻璃板：99.70030005664451；轭铁材料：34.32267656240925；空气层：98.65066182198335。从仿真数据可以看出，非铁磁性材料（铜、空气、玻璃板）其相对磁导率均接近于1，铁磁性材料相对磁导率教高，轭铁材料被磁化，磁力线大部分在磁导率较高的材料内部，相较于其他材料，只有少量磁信号被检测出来。故在励磁过程中，励磁装置与铁磁性材料（管道）之间，可以允许有部分提离值（空气层），也可以使用其他非铁磁性材料作为管道内壁保护材料，但利用铁磁性材料会降低励磁强度。
3.结束语
总而言之，管道励磁过程是管道漏磁检测十分重要的部分，励磁强度与励磁时间影响管道检测效率。近年来国内外管道铺设长度趋于增长趋势，提高管道励磁效率十分必要，同样提高检测效率也会降低管道缺陷问题带来的安全隐患，为国家减少人员和财产损失。
参考文献
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磁性材料篇3
1 中国磁体产业的发展历程
目前，全球的经济已进入了一个信息时代，作为一种功能材料，磁性材料所占的地位越来越重要。当前主要的商品磁体共有4类：20世纪30年代开发的铝-镍-钴永磁（alnico）；50年代初期开发的铁氧体磁体；60年代末开发的钐-钴磁体（sm-co），包括第一代稀土永磁－smco5和第二代稀土永磁－sm2co17；80年代初开发的稀土永磁钕铁硼（nd-fe-b）。而稀土永磁，特别是钕铁硼是磁性材料里最重要的一部分，在永磁材料中发展最快，平均以每年10％的速度增长。 中国磁体产业在中国的出现远较西方发达国家晚，起始期是1969年到1987年之间。因为当时的稀土永磁钐钴磁体的高成本、国内市场的需求量少，所以到八十年代初还没有形成自己的磁体工业。1987～1996的十年是中国磁体产业开始发展的第一阶段，其特点是起点低：由于投资小，设备简陋，生产设备基本完全是国产的，经营理念落后，仍局限于小生产的模式。
1997～2002的五年是中国磁体产业发展的第二阶段，其特点是起点远高于前一阶段：投资强度大，引进一部分国外的先进技术设备，能够按先进的工艺路线组织生产，产品质量一般属中低档。 2003年起，中国磁体产业的发展将进入第三阶段。企业建立的特点将是“三高”，即高起点、高投入、高回报：1）产品瞄准特定用途所需的高档磁体；投资规模巨大，引进整条先进生产线；2）按现代化管理的理念，组织集约式分段联营的大生产：磁体生产分为两段—母合金/粉料的生产和磁体制备，投资显著降低，效益则大为提高；3）按资本运作的规律运营，从而保证磁体产业较高的回报率。特别是有可能从国外引进最先进的或采用国产先进生产线，生产高档的磁体产品。
进入21世纪，发达国家的磁体生产由于成本过高，已难以为继，世界磁性材料行业纷纷向中国或第三世界地区转移，中国作为首选的国家。世界一些著名的磁性材料制造企业看好中国，如日本的tdk、fdk、epson、日立金属、住友特殊等，韩国的梨树、三和、磁化等，欧洲的philips、德国的vac、epcos，美国的arnord、magnequench 已经转移到中国。世界磁性材料生产向中国转移，增强了中国磁性材料工业的整体实力，提高生产技术，加速了中国成为世界磁性材料生产基地和销售市场的建设。
2.中国稀土永磁――钕铁硼的发展
某个国家或地区磁体产量约占全球总产量的一半时，即成为“全球磁体产业的中心”。二次世界大战前的欧洲，二次大战后的美国，70年代以后的日本均堪称当时“全球磁体产业的中心”。新世纪伊始，“全球磁体产业的中心”已转到中国。据统计，直到1999年，铁氧体磁体的产值始终占全球磁体总值的一半以上，堪称磁体市场的主题。2000年稀土磁体（ndfeb+smco）产值首次超过了铁氧体的，此趋势与日俱增。换言之，稀土磁体在21世纪将唱主角。 代表当今磁体最高性能的ndfeb稀土永磁的80年代初问世时，正好赶上计算机产业的微型化，故该磁体立即成为制造诸如磁盘驱动器等计算机外设的关键材料。ndfeb更广泛用于各类音响/影像等消费电子器件中，90年代以来在全球迅速普及的移动通讯设备—手机也离不开ndfeb的重要贡献。
钕铁硼专利[1]
钕铁硼硬磁制造方法分为烧结和粘结两种，专利所有者分别为住友特殊金属株式会社（日本）和麦格昆磁（mq）公司（美国）。同时mqi公司又是全球唯一的粘结钕铁硼原材料（磁粉）供应商。其在欧洲和日本的成分专利和生产制造工艺专利均已经失效，美国的专利在06年和07年分别失效。在中国制造、销售和使用钕铁硼磁体并不涉及任何专利问题，但是其产品不能出口到专利覆盖区，否则构成侵权。中国拥有住友与mqi覆盖全球的专利许可的烧结ndfeb磁体企业共五家：三环新材料高技术公司（三环），于1993年5月取得专利许可；北京京磁公司（bjmt），于2000年3月取得专利许可；银纳金科磁技术公司（thinova），于2000年9月取得专利许可；宁波韵升磁公司（韵升），于2001年3月取得专利许可；安泰科技股份有限公司（at&m）,于2003年3月继承了台湾海恩金属公司2000年5月取得的专利许可。这五家公司的烧结ndfeb磁体的生产能力将近10,000吨/年，五家公司中的三家是上市公司，即安泰科技、三环与韵升。
烧结钕铁硼
图1是全球及中国、日本、美国、欧洲烧结ndfeb磁体的总产量，其中2004年中国生产烧结ndfeb磁体27,510吨，毛坯46,1500吨。与2003年相比产量增长49%。而产量与产值存在的巨大差距正是中国稀土磁体产业面临的主要问题。改进产品性能，提高产品档次是解决此矛盾的唯一出路，就是说，要尽快消除存在于中国磁体产业与西方国家之间的技术差距[2]。
烧结ndfeb磁体在中国的用途可分为三类:
1. 高技术领域的应用,诸如mri,vcm,cd传感器,cd-rom,dvd-rom,手机,电池驱动工具,eb,eav,ev。
2. 传统用途,诸如扬声器,耳机,话筒等音响器件，磁选机/磁分离器，各类磁化器包括民用水脱垢器,油田用的脱腊器,酒厂用的陈化器等。
3. 低档用途,诸如慈溪等地生产的磁性纽扣。图2是2003年中国烧结ndfeb磁体的用途分布情况。
中国烧结钕铁硼产地遍及11个省和京津地区（见图3）。浙江省的烧结ndfeb磁体生产发展最快，其产量占全国总量的47.1%。山西地区由于得天独厚的自然和低成本条件，目前已与沪杭地区、京津地区形成了中国三角鼎立的稀土永磁产业格局。山西烧结ndfeb磁体生产占全国产量的21.7%。京津地区的产量居第三位，占全国的11.7%。其余总量19.5%则散布在华东、华北、华中和西北等苏、冀、内蒙、鲁、豫、川、陕、甘、宁九省以及东北地区。 众所周知，ndfeb对环境（温度、湿度）极为敏感，浙江产量虽大，但品质不高。一般而言，气候干燥的山西、甘肃、宁夏等地，用同样工艺设备生产磁体，其性能则优于南方的。当然，关键仍在于采用专门针对ndfeb的设备并按先进工艺进行磁体生产，才能稳定地批量生产高牌号磁体。濒临渤海的烟台首钢磁材公司，它引进先进设备大批量生产顶级烧结ndfeb磁体，就是一例。
2004年国内烧结钕铁硼行业热情空前高涨，新增生产能力大幅提高，中科三环公司通过长期努力，第一次进入到为日本、欧洲等发达国家磁材企业所垄断的钕铁硼高端应用领域――计算机硬盘驱动器音圈电机（vcm）应用市场；在另外的一个高端应用领域――汽车应用领域方面，中科三环的钕铁硼磁体也成功应用在点火线圈、电动助力转向、气囊传感器等汽车零部件中，同时还进入了核磁共振成像仪领域。对于上述几个稀土永磁高端应用市场的进入，标志着中国的稀土永磁产品结束了大部分只局限于中低端应用市场的不利局面，真正开始与日、欧发达国家磁材巨头争夺高端应用市场。
粘结钕铁硼
在激烈的市场竞争中，在粘结钕铁硼方面，美国和欧洲的生产企业基本退出了该行业，到2003年只剩下一两家生产粘结ndfeb的制造厂了，2004年美国和西欧的永磁材料产量只占全球的10％之内。因此在该行业中，全球的生产能力大部分集中在日本企业[3]。其中有代表性的两家企业，一家是精工爱普生，他们的磁材生产已经全部转到中国上海爱普生磁性器材有限公司了；另一家大的粘结磁体企业－日本大同公司。在计算机硬盘驱动器（hdd）的主轴电机应用方面，大同和上海爱普生两家企业就占据了整个市场份额的90％以上。2002年底，中科三环参股了上海爱普生磁性器件有限公司，2004年3月进一步扩大股权，目前中科三环已持有该公司的70％股权，成为其第一大股东。安泰科技2003年3月收购了海恩公司，其深圳的爱恩美格也是一个技术水平很高的粘结磁体工厂，加上国内成长起来的成都银河，粘结磁体企业除日本的大同外，其余产能基本分布在中国。
图4是日本粘结协会统计的有关资料，从图中可以看到这种优势。从2001年开始，中国粘结钕铁硼的优势逐渐显露出来，2002年后中国远远超过了日本，处于了第一位。粘结钕铁硼磁体1996年全球产量为1320顿，中国的产量仅为50吨；2000年全球粘结钕铁硼产量达到3550吨，中国的产量为620吨，虽然占世界总产量的比例仅为20%,但年平均增长率去达到了60％，有了长足的发展。据最新统计，2004年中国粘结钕铁硼磁体产量达到了1350吨。
尽管中国已经是生成粘结钕铁硼永磁的第一大国，但只是占原材料和人工成本的优势，由于设备、生产技术以及管理能力有限，只能生产一些中低档的产品，像hdd这类高档和高利润产品仍由日本企业掌控，所以在中国出现生产量增加很快，产值特别是利润的增长却不成比例。粘结钕铁硼磁体产业在我国的规模还小，还有很大的发展空间。估计年递增速率在20%以上。到2005年，我国粘结钕铁硼磁体年产量将达到2000吨左右。全球对粘结稀土永磁需求的增长幅度不是很大，其主要原因是由于粘结钕铁硼永磁的主题市场是it行业密切相关的各种微型马达，it行业的不景气直接影响对粘结钕铁硼永磁的需求[3]。
3 中国新型稀土永磁材料的研究开发现状[4]
在新型稀土永磁材料研究方面，我国科学家无时不出现于国际前沿。在thmn12结构金属间化合物研究方面，我国是最早开展这方面研究的国家之一，在结构与磁性，超精细相互化合物方面，我国最早报道了rf11tiny的研究成果，开辟了thmn12结构间隙化合物研究领域；在nd3(fe,ti)29新相研究方面，我国科学家首先发现了sm3(fe,ti)29单相化合物及其氮化物，并研究了它的磁性。 近年来，利用快淬工艺制备各向异性稀土永磁材料方面做了一些探索。最近，中国科学院物理所利用快淬工艺成功的合成出具有高磁能积的磁各向异性sm-co稀土永磁材料，其室温磁性能可达18.2mgoe，剩磁比为0.9，并且通过球磨后制备的粘结磁体仍旧保持各向异性，具有高的磁能积。同时发现碳元素能够控制易磁化轴在快淬带中的织构方向并细化晶粒可进一步提高其硬磁性能。
北京大学，研制成功了具有自主知识产权的thmn12结构氮化物稀土永磁材料[5]。目前，已开发出磁能积为15～20mgoe左右的r（fe,m）12ny(r=pr,nd;m=mo,ti,v)间隙化合物稀土永磁材料，已建成年生产能力100吨的中试生产线，进行产业化推广[6]。2004年10月 ，深圳北大双极高科技股份有限公司与深圳中核集团公司签约，合作建立新型稀土永磁材料基地，将根据市场发展需要，拟在深圳建设年产1000吨钕铁氮磁粉的产业化示范生产线。此签约项目涉及3.5亿元的巨大数额。该磁粉在质量上和性能上居世界领先地位，这项成果是把基础研究成果转化为现实生产力的成功典范。目前，国内外一些知名企业正在利用钕铁氮制造磁体产品。该项目得到了国家发改委、科技部、教育部和北京市科委的立项支持。
钢铁研究总院，开展了高使用温度稀土永磁材料的制作技术和工艺的研究，进一步研究不同材料的阶段性热处理退火工艺、胞相和胞状结构与温度磁性能的关系。获得sm2co17高温磁体的性能450℃时 (bh)max≥9mgoe，hic≥7.9koe。
上海大学材料研究所申请并承担各向异性钕铁硼磁体的国家自然基金、上海科委和教委纳米专项等多项课题，进行粘结各向异性钕铁氮复合磁体研究开发。北京科技大学利用hddr（hydrogen disproportionation desorption recombination）工艺也进行了开发各向异性钕铁硼粘结磁体的研究。
近来有一些国外磁体专用设备厂家联合推出，按最佳工艺路线配套的一条全封闭、全自动化的完整生产线：原料从生产线的一端投入，在另一端出来的已是磁体最终产品，包括磁体的涂层。设备厂商能保证磁体产品极低的氧含量（o2≤1000 ppm）和极高的磁能积（（bh）max=52mgoe））。据了解，如此先进而完备的生产线在西方国家尚不存在。更为重要的是，此生产线的报价远低于单机报价的总和！报价不仅包括设备硬件，也包括技术软件。换言之，设备厂家不仅提供成套设备，更保证用户能生产出最高牌号的稀土磁体！
值得一提的是，国内磁体专家有感于国内生产设备与国外的差距，经数年的潜心钻研与实践，终于在2003年中研制出一整套具有中国特色的烧结ndfeb磁体生产线，并付诸实施。用它可稳定生产高挡ndfeb磁体，整条年产300吨烧结ndfeb磁体生产线的价格仅是国外相应设备的1/4～1/6。此生产线的涂层完全摈弃了导致磁体氢化的电镀，而采用无污染的dacro技术，耐蚀性良好，成本低廉。 近年来，我国的稀土永磁的生产装备也有了长足的发展。特别是在满足一些新的生产工艺方面的装备有了突破。例如国产速凝薄片炉和氢破碎炉已在一些磁体生产厂使用。一些国外发达国家的永磁设备制造商也瞄准了中国这块宝地，纷纷在中国设立生产基地，同样给我国的永磁设备制造商带来了机遇和挑战。2004年9月，沈阳中北真空技术产业开发区兴建国内先进的真空炉生产基地，引进世界最先进的液晶显示、等离子真空热处理技术，这必将对我国烧结钕铁硼的生产技术水平的提高产生积极的影响。
4 中国磁体产业发展思路和前景预测
跨入21世纪，中国的磁性材料产业得到了进一步发展，年增长超过20%[7]。初步统计，2004年中国烧结铁氧体[8]达到350，000吨(占全球总量的51%)，粘结铁氧体50，000吨(占全球总量的32%)；烧结钕铁硼永磁[9]达到27,510吨(占全球总量的81%)，粘结钕铁硼永磁[10]达到1350吨(占全球总量的35%)；铸造磁体3,500吨(占全球总量的56%)[11]。世界磁性材料生产向中国转移，增强了中国磁性材料工业的整体实力，提高了生产技术，加速了中国成为世界磁性材料生产基地和销售市场的建设。
稀土永磁的发展和前景
作为朝阳产业，稀土永磁产业是磁性材料产业的重中之重，其新的应用成长点在不断涌现，特别是信息产业为代表的知识经济的发展，给稀土永磁等功能材料不断带来新的用途。除了在计算机、打印机、移动电话、家用电器、医疗设备等方面的广泛应用外，汽车中的发电机、电动机和音响系统的应用已经开始，这将极大的带动钕铁硼产业的发展。由于我国丰富的稀土资源，较低的人工成本和广阔的市场，从而在未来的五年至十年内，国外的钕铁硼制造业继续逐步向中国转移的态势势不可挡，中国必将吸引大量国外先进的钕铁硼永磁材料制造商，比如美、日、欧等国家、地区的企业进入，一方面会对中国稀土永磁企业带来挑战，另一方面也会将先进的技术、管理经验带入中国，从而进一步推动中国稀土永磁产业的发展。 “十五”期间，我国钕铁硼磁体的总产量超过了5万吨，烧结钕铁硼磁体产业会保持继续增长的势头，年增长率仍会保持在20～30%以上，粘结钕铁硼磁体产业在我国的规模还小，还有很大的发展空间。预计到2005年，我国烧结钕铁硼磁体年产量将达到3万吨左右，粘结钕铁硼磁体年产量将达到2000吨左右。预计到2010年，我国烧结钕铁硼磁体产量将达到7万吨，占全球产量的75%；粘结钕铁硼磁体产量将达到1万吨，占全球产量的50%。 中国磁性材料行业的大发展 “十一五”时期，是中国磁性材料工业大发展时期，世界磁性材料产业中心已经转移到中国[12]。
(1) 家电领域。中国电视行业预测到2010年，中国彩电总量达到1亿台，占世界产量的63%。据此估计，全球需要软磁铁氧体6万吨，永磁铁氧体8万吨。
(2) 信息化领域。电脑的普及带动了相关外置设备的发展，尤其是硬盘驱动器（hdd），预计到2010年全球产量超过5亿只；dvd、dvd-rom和刻录机，到2010年全球的产量超过10亿。这是钕铁硼磁体应用的大市场，全球需要量在2万吨。
(3) 汽车领域。汽车已经成为中国国民经济发展的第五大支柱工业，到2010年，中国的汽车产量达到1000万辆，如每辆汽车用电机数在30只，扬声器在5只，将需要永磁体10万余吨。由于能源的紧张和环保要求，电动汽车的开发在加速，预测到2010年全球产量在350万辆，需要钕铁硼磁体4200吨。
(4) 其他配套领域。由于世界各类磁体配套件市场向中国转移，例如电动自行车的需求量越来越大。据中国助力车专业委员会不完全统计，2004年中国电动自行车产量约达500万辆。以每辆电动自行车平均需要0.3公斤烧结钕铁硼计算，需用磁体1500吨（折合毛坯近2500吨）；由于国外劳动力成本等因素，加上中国磁体价廉物美，一些涉及劳动密集型的行业，如电子变压器、电机、电感、电声，均转移到中国或第三世界国家，同时磁体的销售市场也在中国。
结 语
中国磁性材料行业要从大国向强国转变，就要加速行业内的规模经济建设，发展强强联合，要有若干个年销售收入达到100亿的企业。中国企业必须要走出国门，收购或合资国外企业，建立跨国公司，树立国际名牌。中国企业必须投入应用开发领域，配合整机开发磁性材料配套部件和组件，到2010年全行业争取达到产值400亿人民币.
我国的磁性材料产业需要通过技术创新，继续加强稀土永磁材料的探索、加强高档稀土永磁材料的开发，使我国稀土永磁材料能保持持续发展。从整体上看中国磁性材料技术水平接近国际水平，但没有自已的知识产权和创新的产品。重点扶植中国专利产品，如钕铁氮磁体，但必须要全行业和相关的配套行业一起合作。同时还有产业的结构调整，中国的磁性材料企业一定要有自己特色的产品，在某一方面（价格、质量、市场占有率）领先全行业，使国内外其他企业无法竞争。中国的磁性材料产品特点要低价优质，才能参于国际竞争。我国的磁性材料企业，加强自身的整合，不断提高管理和技术水平，通过与国外先进磁性材料企业加强合作，互助互利，使磁性材料产业更好的扎根于中国，使中国的磁性材料产业更好的服务于全球。
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磁性材料篇4
磁性固相萃取技术是一种新型样品前处理方法，该技术利用磁性或磁性修饰的物质作为吸附剂，通过外加磁场可以直接与基质分离，具有操作简单、省时快速、无需离心过滤等优点，在痕量污染物萃取分离中具有广泛的应用潜力。该技术的操作程序是：将磁性吸附剂加至样品溶液中吸附萃取待测物，待萃取完成后通过外加磁场将磁性吸附剂与样品溶液分离，在对吸附剂进行解吸后，即可进行定性定量分析。磁性固相萃取使样品预处理操作大为简化，解决了传统的SPE吸附剂需装柱和大体积样品上样耗时等问题，通过施加一个外部磁场就可实现相分离，方便快捷。在磁性固相萃取中，磁性纳米吸附剂是影响萃取效率和选择性的关键，发展萃取效率高、稳定性好的新型磁性吸附剂是目前研究的一个热点领域［5］。
1以金属－有机骨架材料为前体的磁性多孔碳材料
多孔碳材料具有较高的比表面积、可调的孔隙结构、良好的热稳定性和化学稳定性，是目前应用最广泛的一类多孔材料。制备多孔碳材料最常用的方法是高温分解有机前体，再经物理或化学方法活化。但该方法制备的碳材料结构无序、孔径分布不均一。金属－有机骨架材料（MOFs）是一类新颖的纳米多孔材料，它是由过渡金属簇作为节点、有机配体作为框架组成的可设计合成的晶体材料。MOFs的多变结构、高比表面积、大孔容和种类丰富的有机配体，使其成为合成具有多样化孔隙率和孔径结构的多孔碳材料的理想前体和模板。由于MOFs中拥有大量的碳，通过直接碳化MOFs即可得到纳米多孔碳材料，而不需要额外加碳源，方法简单易行。近年来，以MOFs为前体合成纳米多孔碳材料成为MOFs化学及新功能材料研究领域的新热点。由MOFs衍生的纳米多孔碳材料在吸附、气体储存与分离、催化、传感、超级电容、太阳能电池等领域显示出广阔的应用前景。我们课题组采用一步直接碳化钴盐与甲基咪唑形成的金属－有机框架材料ZIF－67，成功制备了磁性纳米多孔碳材料（MNC）（见图1）。由于碳化过程中生成了钴纳米，该材料表现出较强的磁性。以其为磁性固相萃取吸附剂，建立了水样和蔬菜样品中烟碱类杀虫剂的高效液相色谱分析新方法［8］。该材料还成功应用于葡萄、苦瓜样品中苯基脲类除草剂的磁性固相萃取［9］。我们课题组还以MOF－5为前体制备了另一纳米多孔碳，经磁化修饰后（见图2），将其用于萃取蘑菇样品中的氯酚。实验最优条件为：样品体积为50mL，样品pH为6，吸附剂用量为8.0mg，萃取时间为10min，解吸条件为0.4mL的碱性甲醇。在最优实验条件下高效液相色谱法测定氯酚类污染物的线性范围为0.8～100.0ng／g。结果表明Fe3O4＠MOF－5－C对氯酚类药物具有良好的吸附能力。该材料还用于苹果样品中氨基甲酸酯类农药残留的测定。
2磁性石墨烯材料
石墨烯（G）是一种新型二维碳纳米材料，具有大的比表面积和共轭体系、很强的疏水性、较好的耐酸、耐碱、耐热性能和化学稳定性，可与有机分子产生强π－π相互作用。石墨烯及其复合材料用作磁性SPE吸附剂成为近年来研究的一个热点领域［12］。最近，Shi研究组［13］采用硼氢化钠还原氧化石墨烯和铁盐，一步法制备了磁性石墨烯，用于氨基甲酸酯的萃取富集，富集因子可达364～434。据此建立了高效液相色谱检测西红柿中氨基甲酸酯的新方法。Cheng等［14］制备了Fe＠Fe2O3核壳型纳米线，通过静电作用氧化石墨烯自组装到纳米线表面，以其为磁性吸附剂萃取富集水样中的内分泌干扰素，采用高效液相色谱－紫外检测法测定水样中的双酚A、三氯生、二氯酚，检出限为0.08～0.10ng／mL。制备磁性石墨烯使用的磁性材料多为Fe3O4，而CoFe2O4具有更优良的化学和热稳定性以及适中的饱和磁场强度。Wang等［15］通过化学共沉淀法制备了CoFe2O4－G，采用高效液相色谱法建立了奶样中的磺胺类药物的分析方法。通过化学共沉淀法或静电吸附制备的磁性石墨烯复合材料中石墨烯的吸附位点可能部分被磁性纳米颗粒占据，从而影响吸附效率。最近，Sereshti等［16］将二氧化硅涂层的铁氧纳米用氨丙基三乙氧基硅烷功能化，将氧化石墨烯（GO）和苯乙胺键合到磁性核表面，制备了核壳型磁性石墨烯材料（Fe3O4＠SiO2＠GO－PEA）。以其为吸附剂，建立了气相色谱－氮磷检测器测定水果、蔬菜、水样中的有机磷农药残留的方法，富集因子可达477～512。采用共聚方法也是制备石墨烯复合材料的一条有效途径。Soylak等［17］将烷基烯胺修饰的氧化石墨烯与醋酸乙烯酯－二乙烯基苯共聚得到了氧化石墨烯功能化的复合材料，用于萃取富集水样、黑胡椒、大麻样品中的Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）、Co（Ⅱ），富集倍数为37～40倍。MOF材料多数是亲脂性的，在水溶液中不能良好分散，而多巴胺在水中有良好的分散性且稳定性好，复旦大学的Deng等［18］采用水热法制备了磁性石墨烯，多巴胺经自聚合接枝到磁性石墨烯表面，Zr－MOF再自组装到复合材料上得到基于MOF和石墨烯的复合材料（magG＠PDA＠Zr－MOF），将其用于萃取富集水样中的内分泌干扰素，建立了高效液相色谱－紫外检测测定双酚类物质的方法。
3其他
分子印迹聚合物是一种具有选择性分子识别位点的聚合物，它是在模板分子存在的条件下与单体交联聚合，之后将模板分子从聚合物上洗脱下来，留下的特定的空腔结构能够选择性识别与模板分子结构相近的物质，从而实现选择性萃取。Javidi等以氯氮平为模板分子，甲基丙烯酸为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）为交联剂，在氨基化修饰的磁性核（Fe3O4＠SiO2－NH2）表面聚合制备了核壳型磁性分子印迹聚合物。采用高效液相色谱建立了人血清中氯氮平的检测方法。与非印迹的聚合物相比，印迹聚合物对分析物有更高的选择性。同时还考察了该磁性分子印迹聚合物的吸附动力学。利用农业废弃物等生物质资源制备碳材料，不仅成本低、制备容易，而且环境友好。我们课题组以废弃物花生壳为原料，经碳化、磁化修饰制备了磁性生物质炭，用于萃取水样、果汁中的苯基脲类除草剂，采用高效液相色谱法在优化条件下测定，线性范围为1.0～200.0ng／mL。
由于其具有高亲脂性，功能化磁性材料常难以在水中良好分散，易于团聚影响其稳定性和萃取效率。在亲脂磁性萃取剂表面修饰亲水基团可以改善其水分散性和萃取效率，但目前多数磁性萃取剂表面修饰亲水基团采用物理吸附方法，稳定性不高。Shi等通过简便的硫醇－烯点击化学反应，在SiO2涂层的Fe3O4表面接枝了亲脂的十八烷基和亲水的二醇基团（C18／Diol－Fe3O4），该材料既能在水中良好分散，又能有效萃取水样中的非甾体类消炎药物，用于高效液相色谱－紫外检测测定水样中的非甾体类消炎药物，测定的线性范围为5～800ng／mL。该研究组［22］还采用类似方法制备了二乙烯基苯和磺酸基修饰Fe3O4－SiO2磁性吸附剂，采用气相色谱－质谱测定水样中的多环芳烃，富集因子为2.6～155，对相对分子质量低的多环芳烃富集效率较低。
聚合物也常用于改性Fe3O4纳米材料。Yami－ni等［23］采用氧化聚合法制备了聚吡咯涂层的Fe3O4材料，以其为吸附剂进行磁性固相萃取，解吸后再经分散液液微萃取，富集分离水样、尿样中的醋酸甲地孕酮、左炔诺孕酮，富集倍数达3680～3750倍，建立了高效液相色谱－紫外检测测定上述激素的高灵敏度分析方法。采用乳液聚合法可制备聚对苯二胺修饰的Fe3O4，用于气相色谱－氢火焰离子化检测器检测水样、尿样中的单环芳香胺［24］。实现样品前处理的在线化、自动化一直是分析工作者努力的方向。Palomino等［25］将磁性MOF（MIL－100）材料和小磁铁装于针管内，实现了管内自动化分散微固相萃取，以孔雀石绿为模型分析物，建立了水样和鱼样品中孔雀石绿的光谱分析方法，分析物的富集因子为120倍。Ahmadi等［26］将十二烷基硫酸钠涂层的Fe3O4装于不锈钢管中，外置一强磁铁，通过针泵将样品溶液泵入管中进行在线管中固相萃取，采用多因素优化方法优化了萃取条件。该方法用于高效液相色谱－紫外检测法测定水样、尿样中的氟喹诺酮类药物，实现了自动化快速分析。采用油酸涂层的Fe3O4磁性固相萃取果汁中的多氯联苯，采用气相色谱－质谱法测定果汁中的多氯联苯，富集倍数为125。与分散液液微萃取、微固相萃取相比，该方法萃取效率更高。在载体上吸附离子表面活性剂，也可用作固相萃取的吸附剂。
Zhao等制备了溴化十六烷基三甲铵涂层的Fe3O4，用于萃取水样中的多环芳烃，萃取5min，建立了水中15种多环芳烃的超高效液相色谱－荧光检测分析方法，分析物的富集因子达800。Hu等制备了巯丙基硅烷修饰的Fe3O4－SiO2，以其为吸附剂建立了电感耦合等离子体质谱法测定水样、人发中的甲基汞和汞离子的方法。虽然磁性固相萃取技术已在环境分析、农残分析和药物分析中得到了广泛的应用，但有些磁性材料制备较繁琐、吸附萃取的选择性、重现性还不尽如人意，因此开发研究物理化学稳定性高、制备简单、成本低、使用寿命长、吸附容量大、萃取效率高、选择性好的新型磁性纳米材料仍是目前有待深入研究的重要课题。
磁性材料篇5
关键词：铁尾矿；磁性指数；力学性能；显微硬度；抗氯离子渗透性能；水泥砂浆；耐久性
中图分类号：TU528.56文献标志码：A
0引言
铁尾矿是一种排放量巨大、综合利用率较低的工业固体废弃物，环境危害作用明显[12]。目前虽然有多种利用方案，如制备路面混凝土及基层等[3]，配制建筑用水泥混凝土、水泥砂浆、免烧砖、轻质保温材料等[47]，但是循环利用效率仍然较低。利用铁尾矿代替天然河砂制备水泥砂浆或混凝土用细骨料，可实现铁尾矿的大宗量利用，既解决了天然河砂资源短缺问题，又提高了利用率，降低了环境污染。目前铁尾矿应用较少，其材料特性与天然河砂又存在很多差异，以它为骨料制备的水泥基胶凝材料的物理力学性能值得研究与关注。
在铁尾矿中仍含有大量可磁选颗粒，如果进行回收和利用，不但能充分提高有价金属元素的回收利用效率，而且进一步降低了铁尾矿的综合利用成本。本文中笔者通过对铁尾矿进行不同程度的磁选后，研究铁尾矿中可磁选颗粒含量对铁尾矿代替天然河砂力学等性能影响，并结合微观分析手段提出其影响机理，以上研究结果将为综合利用铁尾矿制备水泥砂浆提供技术支持。
1原材料与试验方案
1.1原材料
主要原材料包括：铁尾矿取自陕西商洛柞水县某铁尾矿库；天然河砂产自西安沣河，其细度模数为2.64；水泥为陕西冀东水泥股份有限公司产P.C 32.5水泥；石子选用粒径为5～30 mm的沣河碎石。参照《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566―2001）[8]，对铁尾矿进行放射性检测，证明铁尾矿满足放射性指标要求。按照《建设用砂》（GB/T 14684―2011）[9]中的规定方法进行了针对铁尾矿的碱骨料反应测试。结果表明：无潜在碱硅酸反应危害。
准确称取粒径分别为0.3～0.6 mm，0.6～1.18 mm两个粒级的铁尾矿各22.5 kg。采用磁铁磁吸铁尾矿，直至磁性颗粒被完全磁吸。称量铁尾矿磁性颗粒的质量，并根据式（1）计算磁性指数[10]
I=（1-m11m0）×100%（1）
式中：I为磁性指数；m1为铁尾矿磁选后剩余质量；m0为铁尾矿磁选前总质量。
光元素分析仪，对2个粒级铁尾矿原样磁选前后的含铁率进行测定得到的结果。
在表2中，可磁选颗粒的磁性指数为100%，剩余颗粒的磁性指数为0%。2个粒级的铁尾矿中，可磁选颗粒、剩余颗粒及铁尾矿原样的含铁率近似。其中粒级范围为0.3～0.6 mm的铁尾矿颗粒中，铁尾矿原样、可磁选颗粒及剩余颗粒的含铁率均略高于0.6～1.18 mm粒级范围的颗粒。在铁尾矿原样中，0.3～0.6 mm与0.6～1.18 mm两个粒级范围的铁尾矿，其质量比大致为1∶1，故铁尾矿原样的磁性指数为40%。按照《建设用砂》（GB/T 14684―2011）[9]中的规定，分别测量2个粒级的铁尾矿中可磁选颗粒、剩余颗粒以及铁尾矿原样的压碎指标。结果表明：0.6～1.18 mm粒级的压碎指标值高于0.3～0.6 mm粒级，可见，小粒级的铁尾矿强度总体略高于大粒级。各粒级铁尾矿中可磁选颗粒、剩余颗粒以及铁尾矿原样的压碎指标值较接近，当采用压碎指标反映不同磁性指数的铁尾矿自身强度时无显著差异。
1.2试验方案
通过调整铁尾矿中可磁选颗粒的比例，得到含不同可磁选颗粒的细骨料，其设计方案如表3所示。按照水泥450 g、细骨料1 350 g、水灰比0.50配制不同磁性指数的细骨料并制备水泥砂浆，将以上9种细骨料制成水泥砂浆且分别成型试件，在（20±1） ℃的水中养护至3，7，28 d龄期，分别测试其抗折强度和抗压强度。
采用HXD1000TMSC/LCD带图像分析自动转塔显微硬度计，对铁尾矿试件断面进行显微硬度
测试，从亚微观角度分析铁尾矿砂浆骨料与水泥石本体相之间的力学性能关系，测试中采用维氏压头测试试件表面的显微硬度。
采用AutoPore IV 9500 型压汞仪，测试孔结构及孔隙，分析不同铁尾矿砂浆试件内部的孔结构和孔隙特征及其对砂浆力学性能的影响。
为反映不同磁性指数的铁尾矿代替天然河砂制备水泥基材料的耐久性，采用铁尾矿制备了C30水泥混凝土，开展了铁尾矿代替天然河砂混凝土的抗氯离子渗透试验。参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082―2009）[11]，采用快速氯离子迁移系数法（RCM法）和电通量法进行抗氯离子渗透性能测试。测试设备采用SWRCM扩散系数测定仪和SW6D型抗氯离子电通量测定仪。C30混凝土的配合比见表4。
表4混凝土配合比
Tab.4Mix Proportions of Concrete混凝土强度等级1各材料用量/（kg・m-3）水泥1铁尾矿1石子1水C301461151211 25211752试验结果与分析
2.1磁性指数对水泥砂浆力学性能的影响
随磁选颗粒含量，即磁性指数的变化，铁尾矿代替天然河砂作为细骨料制备的水泥胶砂试件的力学性能变化如图1，2所示。
Compressive Strength of Mortar由图1，2可知：随磁性指数的增加，水泥砂浆的抗折强度和抗压强度呈现类似的变化规律。在相同的胶砂配合比条件下，在3，7，28 d三个龄期，不同磁性指数的铁尾矿砂浆抗折强度均高于天然河砂砂浆试件。随磁性指数的增加，3个龄期的抗折强度大致呈现下降的趋势。但是在养护28 d后，当磁性指数约为39.8%时（接近为铁尾矿原样）其抗折强度有所提高，接近磁性指数为0%的铁尾矿。
铁尾矿砂浆试件的抗压强度总体高于天然河砂砂浆试件。随磁性指数的提高，胶砂试件的抗压强度总体呈波动下降的趋势。当铁尾矿的磁性指数为0%时，抗压强度最大；当磁性指数为100%时，抗压强度最小。
磁性指数在40%左右（铁尾矿原样）时，铁尾矿砂浆早期（3，7 d龄期）抗压强度偏低，接近天然河砂的砂浆试件。在28 d时，铁尾矿砂浆抗压强度又明显增大，比天然河砂的砂浆试件高出近7.3 MPa。
由此可知，对铁尾矿砂浆进行完全磁选后，各龄期磁性指数为0%的铁尾矿砂浆力学性能将得到最大程度的提高。不仅实现了铁尾矿原样中有价金属元素的进一步回收和利用，而且利用磁选后的剩余颗粒制备成的水泥砂浆，其力学性能得到了进一步提升。
铁尾矿砂浆的磁性指数对砂浆力学性能的影响机理较为复杂，将可能受到不同磁性指数的铁尾矿的颗粒强度、形貌、级配以及集料颗粒与水泥浆体界面区等综合因素的影响。以下将通过阐明集料与水泥石本体相的界面特征，探索磁性指数对水泥砂浆力学性能的影响机理。
2.2磁性指数对水泥砂浆显微硬度的影响
养护28 d后不同磁性指数的铁尾矿砂浆试件断面的显微硬度见图3。图3（a）～（c）为磁性指数分别为0%，40%，100%时的铁尾矿砂浆试件断面中骨料本体相与水泥石本体相的显微硬度变化；图3（d）为天然河砂水泥砂浆断面的显微硬度。图3中垂直实线表示砂浆中骨料本体相与水泥石本体相的界面。试验力为2.50 N，压痕的对角线长度约为25 μm。这里定义骨料与水泥石界线左右各25 μm（即-25～25 μm）处，为骨料本体相与水泥石本体相之间的界面区相（图3中2条虚线的之间部分）。
Specimens with Different Magnetic Indexes由图3（a）～（d）可以看出：砂浆的骨料本体相与水泥石本体相界面两侧的显微硬度存在较大差异，总体而言，骨料本体相的硬度值高于水泥石本体相的。在本文研究所确定的界面区中，由水泥石本体相至骨料本体相普遍存在显微硬度快速上升的现象。
骨料本体相、界面区相以及水泥石本体相的相关测试参数见表5。由表5可知：磁性指数为0%和100%的铁尾矿砂浆，其骨料本体相与水泥石本体相的显微硬度平均值相当，但是界面区相前者显著高于后者。由标准偏差可知，铁尾矿砂浆界面区附近显微硬度提升更为显著。当磁性指数为40%时，骨料本体相显微硬度高于磁性指数为0%和100%的铁尾矿，但是由于同时存在磁性与非磁性成分，导致骨料不均匀性提高，显微硬度呈显著波动，且水泥石本体相硬度平均值偏低。界面区显微硬度平均值低于磁性指数为0%的铁尾矿而高于磁性指数为100%的铁尾矿。
水泥石本体相与集料结合紧密，使得界面区密实均匀，具有较高的硬度值，这可能是磁性指数为40%的铁尾矿砂浆力学性能高于磁性指数为100%的铁尾矿砂浆的主要原因之一。对比用天然河砂的砂浆试件，天然河砂骨料本体相的显微硬度平均值最高，但是它的界面区相和水泥石本体相的硬度值均偏低，导致其力学性能受到影响。表5不同磁性指数的铁尾矿砂浆断面的显微硬度
Tab.5Microhardness of Cross Section of IOT Mortar with Different Magnetic Indexes参数1磁性指数为0%的铁尾矿砂浆1磁性指数为40%的铁尾矿砂浆1磁性指数为100%的铁尾矿砂浆1天然河砂砂浆/MPa1S/MPa1/MPa1S/MPa1/MPa1S/MPa1/MPa1S/MPa骨料本体相体积的累积分布高于天然河砂砂浆；在孔径大于150 nm时，则低于天然河砂砂浆。可见，与铁尾矿砂浆相比，天然河砂砂浆试件中含有较少的小孔，富含更多的大孔，这也是该试件力学性能偏低的主要原因。由图5可知：磁性指数为0%，40%，100%的铁尾矿砂浆和天然河砂砂浆的最可几孔径分别为50，62，77，64 nm。最可几孔径越小，表明砂浆硬化体中孔隙分布的总体尺寸越小，磁性指数为0%的铁尾矿砂浆最可几孔径最小。表6为砂浆孔结构的参数。
磁性指数为0%的铁尾矿砂浆中孔径在10 nm以下的无害孔以及孔径为10～100 nm的过渡孔含量最高，其次为磁性指数为40%的铁尾矿砂浆，磁性指数为100%的铁尾矿砂浆中孔径大于1 000 nm的多害孔含量较高，对力学性能的影响较大。天然河砂砂浆试件多害孔含量最高，导致其力学性能变差。
孔隙分布充分说明，由于不含可磁选颗粒的铁尾矿砂浆中无害孔含量更高，而过渡孔和毛细孔含量相对较低，所以试件具有更高的抵抗外部荷载的能力[13]，不同磁性指数的铁尾矿砂浆总体孔隙分布的差异性同样将影响水泥砂浆的力学性能。
2.4磁性指数对混凝土抗氯离子渗透性能影响
按照表4中的混凝土配合比，分别采用磁性指数为0%，40%，100%的铁尾矿以及天然河砂作为细集料，制备了混凝土。养护28 d后，试件的氯离子扩散系数以及电通量测试结果见表7。
Tab.7Antichloride Permeability of Concrete磁性指数/%1电通量/C1氯离子扩散系数/（10-12 m2・s-1）011 99518.24012 16419.010012 23919.4天然河砂12 153110.4由表7可知：当提高铁尾矿磁性指数时，混凝土的电通量及氯离子扩散系数均呈增加趋势，表明混凝土抗氯离子渗透能力逐渐下降。采用经磁选后的剩余颗粒代替天然河砂配制混凝土，更有利于混凝土耐久性的提高，这与水泥砂浆力学性能、显微硬度以及孔结构变化规律所反映的结果具有良好的一致性。采用经磁选降低磁性指数后的铁尾矿制备的水泥基材料具有更为密实均匀的内部结构和力学性能，其耐久性得到了提高。3结语
（1）铁尾矿砂浆抗折强度、抗压强度均高于天然河砂砂浆试件。随铁尾矿磁性指数的增加，砂浆试件的抗压强度总体呈波动下降趋势。磁性指数为0%的铁尾矿砂浆强度最高，磁性指数为40%的铁尾矿砂浆次之。当磁性指数为100%时，砂浆抗压抗折强度最小。对铁尾矿砂浆进行完全磁选后，各龄期不含可磁选颗粒的铁尾矿砂浆力学性能将得到最大程度的提高。
（2）铁尾矿砂浆骨料本体相硬度值高于水泥石本体相。磁性指数为0%的铁尾矿砂浆界面区相中显微硬度高于磁性指数为40%和100%的铁尾矿砂浆。磁性指数为40%的铁尾矿骨料本体相显微硬度存在较大波动，但是界面区显微硬度高于磁性指数为100%的铁尾矿砂浆。
（3）铁尾矿砂浆与天然河砂砂浆相比，富含更多的小尺寸孔。当磁性指数为0%时，铁尾矿砂浆最可几孔径最小。磁性指数为0%和40%的铁尾矿砂浆孔隙率均低于磁性指数为100%的铁尾矿及天然河砂砂浆，且含有更多的无害孔。
（4）采用铁尾矿配制的C30混凝土，具有较好的抗氯离子渗透性能，其中磁性指数为0%的铁尾矿配制的混凝土具有更高的耐久性。
（5）通过对铁尾矿进行磁选，不但可回收高附加值的有价金属，而且利用磁选后的剩余颗粒制备水泥基材料，可进一步提高其力学性能和耐久性。
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磁性材料篇6
【关键词】磁性材料；PLC；取出机械手
引言
在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流。国外的汽车、电子电器、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品的质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。机械手是最普遍的一种机器人，是机械技术、电子技术、自动控制技术结合的产物。自1959年美国人英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人起，在过去的半个世纪里，机器人技术取得了长足的发展。美国、日本、德国等国较早对机器人开展研究并加以应用[1-3]，近年来中国也步入了机器人发展的快车道[4-7]。
我公司主营业务为磁性材料、磁器件、磁分离及相关配套设备研发、生产与销售。在以往的生产模式中，经锻压后的磁器件主要由人工操作取出，这种模式效率低下且存在安全隐患。特别是伴随着人力资源的短缺、劳务支出成本的增加、机器人技术的不断提升以及价格不断下降，采用一款合适的取出机械手来替代人工操作变得日趋重要。在此背景下，经过公司的多次调研论证，选用了杭州史宾纳机械设备有限公司的磁性材料湿压液压机取出机械手，生产实践表明，机械手的引用有效的提高了公司的生产效率、改善了产品质量、节约了生产成本。
1 机械结构组成
取出机械手系统机械部分主要由主机和收放纸系统构成（如图1所示）。主机包括框架，吸取部，检测部和传送带部等。收放纸系统由放纸部和收纸部两部份组成。
框架结构采用型材焊接，与液压机相连接。吸取部进出机构采用导轨、齿轮、齿条进行传动，伺服电机控制其进出速度和位置。检测部分利用传感器检测模具上有无剩余磁性材料（以下简称材料）。为了生产的方便和减小机器的占地空间，把收放纸系统安装在液压机前后两侧，随着液压机模具一起上升或下降，用电机驱动。
图1 系统结构总图
1.液压机 2.收纸部 3.放纸部 4.吸取部 5.传送带部 6.框架
2 工作原理
当液压机部分完成工作以后，向上移动产生一个开模高度，开模高度必须满足机械手的工作要求，本产品的最小开模高度150mm。通过伺服电机驱动取出部移动至产品上方，真空泵产生真空，利用吸盘的内外产生压力差抓取材料。对于抓取物体的真空吸盘部分，需要配备真空发生器，由于真空吸盘是抓取物体的关键部分，为了防止物体脱落，真空发生器所产生的吸力必须大于或者等于物体的重力。
真空发生器的吸引公式为：
其中：F为真空发生器所产生的吸力； 为真空度； 为吸盘的有效面积； 为吸头个数； 为安全系数，一般来说采用标准吸盘时 。
假设吸盘所抓取的物体最大质量为1kg，吸头的个数 为6个，有效面积 。通过上述公式计算出 。
检测部对液压机模具进行检测是否有剩余材料，如果有剩余重复上述运动过程。当模具上所有材料均被抓取时，取出部向外移动到目标位置，然后下降，将材料放置在传送带上，最后上升到初始高度。上升、下降的两个过程由四个气缸进行驱动，通过电磁阀对气缸进行控制。
当材料取出并放置到传送带上后，传送带下降到一定目标位置，为下一模产品叠放做准备。当叠放数量到达后，传送带向外移出一定距离，然后再上升到上限传感器的位置后停止，开始重新叠层。传送带采用螺旋升降机及四导柱方式完成传送带的上下移动。取出部的整个取出、放置和传送带的下降的工作周期为8秒，材料叠放层数设计为三层。压力模具每次工作后由喷雾部分进行清洗，脱模剂桶内的压力一般设为0.4MPa。
图2 运动过程简图
1.齿轮 2.排气阀 3.吸头 4.真空泵 5.传送带磁环检测传感器
6.传送带上下传动装置 7.带轮 8.传送带 9.剩余磁环检查传感器
10.清扫部 11.气缸
3 控制系统
控制系统一般由计算机和伺服驱动器组成，前者发出指令协调各运动驱动器之间的运动。同时完成编程和其他环境状况（传感器信息）、工艺要求、外部相关设备（吸头装置等）之间的信息传递和协调工作，后者控制各个运动的控制器，使各部分按照一定的速度、加速度和位置要求进行运动。
3.1 整体方案
本系统选用三菱公司生产的可编程控制器（PLC）FXIN-485-BD进行控制，其中取出机械手横向的输入输出部分采用电机控制，为了使取出机械手的精确定位，采用伺服电机进行控制，电机通过联轴器带动齿轮，从而带动机械手沿直线导轨横入横出，而取出机械手的上下行，抓取部分则采用气动控制，PLC通过继电器对电磁阀加以控制，而电磁阀通过控制气缸从而控制取出机械手的上下行动作。关于传送带的上下运动部分采用电机进行控制，电机通过减速器和联轴器与丝杠连接，从而带动传送的上下运动。传送带的输出部分采用电机驱动，电机于带轮通过键连，驱动带轮转动。收放纸系统部分同样采用电机用驱动，电机通过联轴器和纸筒转轴以键连接进行驱动。此外，同时采用触摸屏进行人机对话，直观且便于操作。
图3 结构图
3.2 电机系统
考虑机械手的横向运动有着负重大，移动速度快等特点，如果采用气缸驱动很容易产生气缸密封圈泄露等现象，所以采用伺服电机驱动。
PLC通过所发脉冲的频率和数量控制机械手部伺服电机和传送带的电机以控制其速度和位置，脉冲信号通过信号分配在经过功率放大驱动电机带动负载工作。
3.3 气动系统
气动控制系统的I/O接线图如图4所示，由PLC控制电磁阀的通断从而实现吸取部分的上下行动作。根据实际的工作需要吸取部分的上行动作负重较大采用动力较好的气缸并且减小其行程。下行部分负重较小，可采用普通气缸。
图4 PLC的I/O接线图
4 软件设计
4.1 PLC程序设计
PLC的整体结构包括手动、自动程序，原点复位程序，公用程序四个部分。其中自动程序包括系统在全自动模式下的程序和系统在单循环模式下的程序。PLC的程序流程图如图5。
图5 PLC程序流程图
4.2 触摸屏设计
触摸屏的软件设计包括创建换面和变量的设计，并将之与PLC连接。画面的创建包括输入/输出区域组态，指示灯组态，功能键组态和文本显示等格式，根据机械手的要求设计出所需要的画面。所设定的变量就是把触摸屏的组态功能与PLC相应的I/O接点及存储单元之间建立联系，实现触摸屏敏感元件对PLC参数的输入，PLC当前值及报警系统向触摸屏的输出。
5 结论
本文所介绍的取出机械手可以广泛的应用于磁性材料生产。实践表明，该产品可以快速、准确的对控制要求作出反应。并且具有工作效率高，性能稳定且噪音小等一系列优点。
参考文献：
[1]ThangN Nguyen，Harry E Stephanou.Intelligent Robot Prehension [M]， USA： Kluwer Academic Publishers，1993.
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[3]DuskoKatic， Miomir Vukobratovic.Survey of Intelligent Control Techniques for Humanoid Robots[J].Journal of Intelligent and Robotic Systems，2003（06）.
[4]肖雄军，蔡自兴.服务机器人的发展[J].自动化博览，2004（06）.
[5]张家梁，吕恬生，宋立博，王钧功.电动连续式爬缆机器人设计理论分析与试验[J].上海交通大学学报，2003（01）.
[6]周鸿杰，骆敏舟，李涛，徐林森，胡晓娟.基于PLC的工业取料机械手系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2010（03）.
磁性材料篇7
关键词：物理；动态密封；纳米材料
中图分类号：TM27 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）12-0233-01
作为一种新的密封方式，磁性液体密封的优点有零泄漏、无固体磨损、能耗小、寿命长等，因为它具有这一系列的优点，所以传统动态密封中的一系列问题得到了解决，作为第一个被开发、被商业化的磁性液体产品，纳米磁性液体是最成熟的商业应用之一。然而，因其难度大、所需技术水平高等问题，迄今鲜有公开报道。南京大学固体微结构实验室研制出了新型憎油基磁性液体，并将其应用在旋转轴动态密封上，同时成果显著；北京交通大学李德才[1]等人也对此展开了探究，一致认为磁性液体密封具有非常可观的应用前景。
1 纳米磁性液体密封的原理、优点
磁性液体密封技术是一种非接触式密封技术，其介质是磁性液体，由于磁性液体对磁场的响应特性，把磁性液体注入到由高性能的永磁体、导磁性良好的极靴和转轴所构成的导磁回路的间隙中，会形成数个磁性液体“O”型圈，当磁性液体受到压差作用时，会在非均匀磁场中移动，不均匀磁场就会使磁性液体产生对抗压差的磁力，今儿达到新的平衡，这样就起到了密封的作用。
磁性液体密封的优点是零泄漏、无固体磨损、能耗小、寿命长等，能够解决传统密封中材料泄露、高耗能等问题。液体密封图见图1。
2 纳米磁性液体的制备方法
2.1 化学共沉淀法
目前制备磁性液体的方法中化学共沉淀法是使用最多、应用最广泛的方法之一，它的特点是速度快、回收率高、效果好等。磁性微粒的尺寸是可以根据工艺参数的改变而改变的，不仅如此，加入其它金属粒子可以使磁性微粒的性能得以改善，通过上述步骤，可以制备性能良好的磁性液体。其具体操作方法：将可溶的铁盐和铁盐按比例生成三氧化四铁理论量（摩尔比为1：2）较小的比例混合后，加入碱性沉淀剂，生成三氧化四铁超微粒子，然后将三氧化四铁粒子加入到含有表面活性剂的载液中煮沸，分离后便可的磁性液体。
2.2 真空蒸镀法
真空蒸镀法缺点是设备复杂程度高，对真空度程度要求高，虽然其条件苛刻，但因此制备的磁性微粒颗粒度小，粒度均匀，分散好，具体操作方步骤为：在旋转滚筒中加入含有表面活性剂的低挥发性溶剂，将筒真空化，在金属被蒸发的同时，表面活性剂也被蒸发，滚筒表面有大量金属吸附，并在载液中分散，从而制备出磁性液体。
此外还有热分解法、机械球磨法、解胶法，等离子体法等方法。
3 磁性液体的密封方法
许多学者对以磁性液体为介质的密封方式进行了很长时间的探索和研究，其中，以下研究最具代表性：M.D.Cowley和R.E.Rosenseig对磁性液体界面稳定性进行了深入研究后，得出了影响磁性液体界面稳定性的因素之一为磁场的结论[2]：北京航空航天大学的王之珊等人曾经做到持续密封时间达48h[3]；中国矿业大学的杨志伊等人曾经做到零泄漏持续密封高达上千小时，但长时间密封磁性液体失败[4]。使用磁性液体密封技术对液体进行密封难以实现长时间零泄漏的原因是：在磁性液体与被密封液体之间的界面存在着一种随着旋转速度的加快和密封压力的加大而加剧的不稳定性。因此，要实现以液体为密封介质的磁性液体密封，必须要使密封液体的速度和被密封液体的速度差额尽量缩小，降低作用于被密封液体的压力。
组合式磁性液体密封的原理为：磁性液体密封技术和双螺旋密封技术的组合，在密封领域发展越来越迅速的是螺旋密封，因为其结构简单，耐压能力较强。但是双螺旋密封装置有一个致命的缺点：其在低速运行时被密封介质出现泄漏是无法避免的，若想使其密封效果达到最优则必须尽量提高转速，但是前文所述磁性液体密封技术相比传统密封方式具有零泄漏、长寿命等优点，并且无论在静止密封，还是旋转密封都可以使液体介质零泄漏。
4 纳米磁性液体密封的其他应用
4.1 磁性液体在往复轴密封中的应用[5]
磁性液体往复密封技术成为一种崭新的动密封技术的原因是：磁流体往复密封装置不仅可以在一定程度上取代传统的旋转轴密封而且可以完成往复运动密封，从而达到往复加旋转复合运动密封的效果，因此在21世纪以来此密封技术得到了突飞猛进的发展。
4.2 磁性液体在直线型密封中的应用[6]
磁性液体直线密封技术的结构包括非导磁性轴、轴套、环形永久磁铁、极靴和磁性液体。
磁性液体密封技术的原理：在永磁铁的磁场作用下，磁性液体被束缚在极靴齿和轴套内表面之间的空隙中，构成液体密封环，因而该密封装置不仅能够承受一定压差的作用，同时还能实现往复的直线运动的动密封。
磁性液体直线运动的密封装置不仅能够传递直线运动，还能传递扭矩。因为直线密封装置包含了转轴密封装置在内，而且转轴密封装置具有转速越高，密封性能越好的特点。因此，直线运动、转动或直线运动+转动的复合运动的动密封均可通过磁性液体直线密封装置来实现，这是直线密封装置的一个突出的优点。磁性液体直线密封装置对转动密封的抗压能力高，密封性能好；该装置对直线运动的密封能力低于转动密封能力；而直线+转动的密封性能与直线密封的性能相似，但也能实现压差密封。
5 结语
在中小轴，中低速的真空、气体方面，磁性液体密封技术应用已经非常广泛，发展势头迅速，并且其发展方向是大轴径、高转速的密封。但目前来说以液体为介质时技术问题还没有得到解决，假若解决了密封液体方面的问题，磁性液体密封技术前景广阔，同时在往复轴密封和直线型密封中有应用前景。
参考文献
[1]李德才.磁性液体密封理论及应用[M].北京：科学出版社，2010.
[2]Moskowitz R.Dynamic sealing with magnetic fluids[J].ASLE Transactions，1975，18（2）：135 -143.
[3]王之珊，陈建平，赵丕智.一种新型组合密封系统的实验研究[J].北京航空航天大学学报，2000，26（4）：451-453.
[4]刘同冈，杨志伊.磁流体液体动密封结构的优化设计[J].摩擦学学报，2003，23（4）：353-355.
[5]王虎军.国外磁性液体在往复轴密封中的应用[J].科技创新与应用，2013，（36）：56-57.
磁性材料篇8
铁磁材料在现代科学技术中得到广泛的应用,随着材料科学的发展,它已成为一种重要的智能材料。本文主要介绍铁磁材料的原理，分类，及其应用；并对三类主要铁磁材料详细介绍，包括软磁材料，硬磁材料，矩磁材料。
随着工及电讯技术的兴起，开始使用低碳钢制造电机和变压器，在电话线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁粉。氧化铁。细铁丝等。到20世纪初，研制出了硅钢片代替低碳钢，提高了变压器的效率，降低了损耗。直至现在硅钢片在电力用软磁材料中仍居首位。到20年代，无线电技术的兴起，促进了高导磁材料的发展，出现了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。从40年代到60年代，是科学技术飞速发展的时期，雷达。广播。集成电路的发明等，对软磁材料的要求也更高，生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。进入70年代，随着电讯。自动控制。等行业的发展，研制出了磁头用软磁合金，除了传统的晶态软磁合金外，又兴起了另一类材料—非晶态软磁合金。
铁磁材料是受到外磁场作用时显示很强磁性的材料。例如铁，钴，镍和它们的一些合金，稀土族金属以及一些氧化物都属于铁磁材料，具有明显而特殊的磁性。首先，它们都有很大的磁导率μ；其次，它们都有明显的磁滞效应。
磁导率（magnetic permeability）：表征磁介质磁性的量。常用符号μ表示，μ为介质的磁导率，或称绝对磁导率。磁滞----铁磁体在反复磁化的过程中，它的磁感应强度的变化总是滞后于它的磁场强度，这种现象叫磁滞。高磁导率是铁磁材料应用特别广泛的主要原因。磁滞特性使永磁体的制造成为可能，但在许多其他应用中却带来不利影响。当铁磁材料处于交变磁场中时将沿磁滞回线反复被磁化。在反复磁化的过程中要消耗额外的能量，以热的形式从铁磁材料中释放，这种能量损耗称为磁滞损耗，磁滞损耗不仅造成能量的浪费，而且使铁芯的温度升高，导致绝缘材料的老化，所以应尽量减少。
软磁材料（soft magnetic material）：具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和设备中。软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。软磁材料主要有，以金属软磁材料（以硅钢片，坡莫合金等为代表，包括fe系，fesial系和 fego系等）和铁氧体软磁材料（如mnzn系，nizn系和mgzn系等）为代表的晶体材料，非晶态软磁合金（主要分为fe基和go基两种）以及近年来发展起来的纳米晶软磁合金，如纳米粒状组织软磁合金，纳米结构软磁薄膜和纳米线等等。应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等。
硬磁是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。硬磁铁氧体的晶体结构大致是六角晶系磁铅石型，其典型代表是钡铁氧体bafe12o19。这种材料性能较好，较低，不仅可用作电讯器件如录音器、电话机及各种仪表的磁铁，而且在、生物和印刷显示等方面也得到了应用。硬磁材料常用来制作各种永久磁铁、扬声器的磁钢和电路中的记忆元件等。在电学中硬磁材料的主要作应是产生磁力线，然后让运动的导线切割磁力线，从而产生电流。
磁带录音原理：硬磁性材料被磁化以后，还留有剩磁，剩磁的强弱和方向随磁化时磁性的强弱和方向而定。录音磁带是由带基、粘合剂和磁粉层组成。带基一般采用聚碳酸脂或氯乙烯等制成。磁粉是用剩磁强的r－fe2o3或cro2细粉。录音时，是把与声音变化相对应的电流，经过放大后，送到录音磁头的线圈内，使磁头铁芯的缝隙中产生集中的磁场。随着线圈电流的变化，磁场的方向和强度也作相应的变化。当磁带匀速地通过磁头缝隙时，磁场就穿过磁带并使它磁化。由于磁带离开磁头后留有相应的剩磁，其极性和强度与原来的声音相对应。磁带不断移动，声音也就不断地被记录在磁带上。
矩磁材料，这里是指具有矩形磁滞回线的铁氧体材料。它的特点是，当有较小的外磁场作用时，就能使之磁化，并达到饱和，去掉外磁场后，磁性仍然保持与饱和时一样。如镁锰铁氧体，锂锰铁氧体等就是这样。这种铁氧体材料主要用于各种电子的存储器磁芯等方面。应用于计算机磁性存储设备和作为乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡所用的磁性材科及作用原理，同磁带所用的磁性材料及作用原理基本相同。但材料是矩磁材料（易磁化不易去磁）。
徐宝玉，任敦亮 原理在工程技术中的应用北京：煤炭出版社，2009.1