1.2　磁性材料

磁性材料是人類最早認識的天然功能材料。很多民族都在公元前就有過關于磁性的記錄。據說古希臘哲人泰利斯（Thales）公元前6世紀就描述過磁性。中國先秦經典特別是東漢名著《論衡》描述了天然永磁作為“司南”的應用。宋代科學家沈括在11世紀詳細描述了天然永磁體指南針的制作，是中國古代四大發明之一。近代最早研究天然磁性材料的是英國醫生與科學家吉爾伯特，他曾任英國女王伊麗莎白一世的御醫。在1600年吉爾伯特發表的名著《論磁》中，討論了指南針的應用和地球的磁極等問題。吉爾伯特還是一位天文學家，所以他指出了磁針指南現象與地球磁場的關系。值得指出的是，宋代沈括比吉氏早500年前就注意到了磁偏角的存在。

天然磁石就是磁鐵礦，主要成分為Fe3O4，屬于鐵礦石的一種，儲量不多，磁性不強，并不能滿足人們不斷提高的需求。盡管在公元前18世紀赫梯人發明的塊煉鐵，已經是“潛在的”人工磁性材料了。但是在發明電力及電磁感應之前的3600年間，人們沒有能力使這種材料磁化。所以，在天然磁鐵礦的磁性被認識之后的三千多年間，它一直是唯一可利用的永磁材料，居里溫度約578℃，最大磁能積約1~2千焦/米3。

奧斯特和法拉第使情況發生了變化，19世紀中期第二次工業革命興起。法拉第發現電磁感應后，人們開始研制發電機和電動機。開始懂得磁場可使鐵具有磁性，但去掉磁場后，磁性也會隨之消失。所以鐵雖是最初的人工磁性材料，卻是軟磁材料。這種所謂的人工軟磁材料，不僅有遠古的塊煉鐵，也包括18世紀末考特發明的攪煉爐“可鍛鐵”。19世紀中期貝塞麥用轉爐煉出來的低碳鋼或工業純鐵是更好的軟磁材料。人們終于明白：原來磁性材料可以不必依靠天然磁石。人工磁石是可以靠電來制造的。

到19世紀早期人們還進一步發現：如果可鍛鐵經過常溫下反復鍛打，硬度會不斷提高，而硬度提高后的可鍛鐵在磁化后，即使去掉磁場，仍會保留一定磁性。這種經鍛打而硬化的材料，就是最早的人工硬磁材料，最大磁能積也可達1~2千焦/米3。19世紀后期發明的工具鋼硬度更高，在磁場去掉后，能保持更高的磁性。磁性能否保持與材料硬度產生了奇妙聯系。其道理半個多世紀后才弄明白。從此，稱軟鐵為軟磁材料；稱硬度更高的鐵或鋼為硬磁材料，也即永磁材料，與天然磁石是同類，比后者磁性更高，最大磁能積可達4千焦/米3。

盡管高碳工具鋼已經比天然磁石的性能好多了，但是人們對永磁材料的需求也在不斷提高。1916年，日本科學家本多光太郎發明了第一個專用永磁材料——高鈷含鎢鋼，最大磁能積達到8千焦/米3，名叫KS鋼。1931年日本材料學家三島德七無意中發明了性能更高的，成分全新的MK鋼。1938年英國科學家奧利弗在此基礎上發明了Alnico永磁材料，最大磁能積可達40千焦/米3。從此，永磁材料開始了持續百年，種類和性能不斷刷新，快速發展的歷史，成為功能材料發展史上的一面旗幟。

軟磁材料是電力工業出現后的產物，當然不會有天然材料。不過，如果從軟磁材料一開始就選擇現成的可鍛鐵來說，也是從非專用材料起步的。電動機、發電機的最初鐵芯材料都是工業純鐵。到1900年哈德菲爾德發明了第一個專用軟磁材料——硅鋼。這是電極轉子和定子用的鐵芯材料。其后又發明了坡莫合金、仙臺粉（Sendust）等多種性能更高的精密軟磁材料。因瓦合金雖然不是磁性材料，但它確實是典型的鐵磁性材料。它的低膨脹特性與磁性的關系也一直是探究熱點之一。

1.2.1　最早應用的功能材料

L：您已說過伽利略是功能材料第一人，現在又說最早的功能材料應用要比伽利略早得很多。這是否會有令人感到前后矛盾的疑惑呢？

H：其實并不矛盾。首先，在選擇伽利略作為功能材料的起始之時，已經注意到：如以應用天然磁石作為功能材料的起點，有諸多不當。其次，雖然公元前幾世紀希臘哲人和中國智者就記載過對天然磁石的認識，其后天然磁石也有過一些應用，但是這些應用還沒有不可替代性。最主要的是天然磁石終究不是人類制作的材料。而伽利略則不然，他利用玻璃透鏡所創造的科學器具——望遠鏡，不僅當時就改變了人類對世界的認識，其后無數有志者跟著他的方向，應用他的方法，發展他的探求，推動了科學技術的前進。即使我們現在論述比伽利略更早的天然磁石的認知與應用，也不能撼動伽利略為功能材料第一人的地位。

L：您的話有理，我明白了。還是回顧一下我們祖先在天然磁石應用上的貢獻吧。

H：我們祖先的貢獻是偉大的，現在想起來都令我們驕傲。但是，我們也必須有胡適、顧頡剛等疑古派史學家們的科學精神，做到“無征不信”。“有一份證據說一份話”。不要讓古代典籍成為無法信任的雞肋，而應該讓它們成為經得起科學考證的智慧之源。中華文明雖然在世界上不算很早，有3600多年的信史。盡管有過秦始皇惡意焚書的厄運，但由于連續不斷，歷史典籍存留之多，仍在世界上首屈一指。但是數千年來，典籍在流傳過程中屢遭有意篡改、冒名頂替、無中生有、版本舛誤等干擾，需要很強的甄別辨偽能力。下面的一些引文就要注意這個問題。

L：《鬼谷子》和《韓非子》都是先秦典籍，遭遇焚書了嗎？“司南”記述可靠嗎？

H：先秦典籍并非全部被毀。《鬼谷子》歷來不為學者所重，成書年代也無定論，關于司南的論述只可做參考。《韓非子》可靠性極高，關于司南之議，可與《鬼谷子》相呼應，成為用磁性定方位的有價值依據。但公元86年東漢學者王充的著作《論衡》，歷代學者評價甚高，應是司南器物的可靠記載。至于宋代著名科學家沈括的《夢溪筆談》，是成書于1086～1093年的名著，為歷代學者所重，是人類認識和利用天然磁石的最早、最詳細的記載。因此指南針列入中國古代四大發明之一。從沈括的記載可知，確定“南”這個方位，中國是另有其法的。那就是歷代使用的“日圭”，即測定一日中日影最短那個方位的器具。正因如此，沈括才知道指南針所指的并非正南，而稍偏東。這正是后來所稱之“磁偏角”。一天之中磁極位置在不停移動，其軌跡為一橢圓。北京附近普通情況下磁偏角最大可達6°。

L：就是說我們祖先在永磁材料的認識上遠早于歐洲，這一點是無可懷疑的了。

H：是的。但還應當指出，最準確的“指南針”白天是太陽，晚上是星空。據說某些動物如候鳥，都具有以此辨別方向的本能。但是，只要有較長時間見不到太陽或星空時，指南針便成為識別方向的重要工具。特別是對于航海家，只要有數小時迷失方向，就可能遭遇危難，指南針是他們須臾難離的利器。到16世紀末，英國醫生吉爾伯特在觀察與實驗基礎上，著《論磁》六卷。這是一部記錄了磁石的吸引與排斥、磁針指向南北、加熱可使磁性消失、鐵片可屏蔽磁石等性質的巨著，并斷定地球本身是個大磁體，提出了“磁軸” “磁子午線”等概念。這在磁性研究上的成就輝煌，已超越我國。

1.2.2　人造永磁材料應用——永磁發電機

L：除了指引方向外，人們還發現了永磁材料的其他重要用途了嗎？

H：在工業革命的18世紀前，人類對永磁材料的認識前進不多。當時還不知道，其實人類早已發明了潛在的永磁能力遠超天然磁石的材料，這就是公元前18世紀赫梯人發明的塊煉鐵，公元前6世紀中國人發明的生鐵，以及公元前5世紀印度人發明的烏茲鋼。只是，在19世紀電氣化革命前，人類不可能知道：靠強大磁場可以把鐵或鋼磁化成永磁材料。是1831年邁克爾·法拉第發現的電磁感應，開啟了人造磁性材料的大門。

L：您是說，是身跨物理、化學兩學科的偉大科學家法拉第，引來了人工永磁材料？

H：正是！可是這里無法回避一個令人難過的，既顯示人性弱點，又體現人性光輝的，法拉第與恩師漢弗萊·戴維的故事。法拉第的父親是一位窮鐵匠，小法拉第只念了兩年小學，12歲當報童，13歲當訂書學徒，卻從不放棄任何學習機會。1813年22歲的法拉第被著名化學家戴維選作實驗助手，從此步入科學生涯。法拉第跟隨戴維得到了大量學習機會，對既是導師又是恩人的戴維無比崇敬。但是到1823年，皇家學院十年的勤奮學習加上絕頂聰明，弟子已開始顯露出超越先生的勢頭。這年，著名科學家烏拉斯頓來訪，想當著戴維和法拉第的面，做一個導線與磁鐵相互作用的表演。他認為應該發生導線自轉，但實驗失敗了。當時，戴維并沒弄懂烏氏的表演，可法拉第卻懂了，而且判斷：導線應該發生的是公轉，并自己成功地完成了實驗表演。可是，這個成功給戴維帶來的不是快慰，相反，人性中陰暗的嫉妒吞噬了良知。戴維無法接受法拉第的超越。他先是否認法拉第的成功，繼而詆毀法拉第實驗是對烏拉斯頓的剽竊，最后還反對多人聯合對法拉第競選皇家會員的推薦。這使得戴維去世前，法拉第不得不放棄電學研究。而曾發明過相機鏡頭的烏拉斯頓卻很大度，對法拉第的實驗成功十分贊賞。

L：那您為什么又說，法拉第這段不堪回首的往事體現了人性光輝呢？

H：這是因為：人都有弱點。戴維可能過分沉湎于有恩于法拉第的心態，以至于年薪只有100鎊的實驗助手法拉第，已被法國科學院聘為通訊院士。這樣巨大的變化，戴維都沒注意。但戴維仍不失為偉大的科學家。當他在50歲英年早逝前被問及：您最重要的發現是什么？他的回答竟是：“我發現了邁克爾·法拉第。”這說明人的心靈光明是會戰勝陰暗的。1831年11月24日，法拉第在重開電學研究后宣布：他發現了電磁感應現象。這很快掀起了發電機和電動機的發明熱潮，永磁材料也立即進入發明家關注的視野。法拉第雖出身寒門卻個性獨特，是位純粹的科學家。每當看到研究會涉及重要商機時，他會選擇離開，把機會留給他人。因為那是個不缺乏發明家的時代。果然，在電磁感應發現后，法國的皮可西展示了手搖式永磁發電機；法國的諾萊也在1850年設計了水力驅動的多種大功率永磁發電機，以解決燈塔用電問題。

L：問題是用什么材料來制作那么大的馬蹄形磁鐵呢？能選擇昂貴的坩堝鋼嗎？

H：當然不能！當時最熟悉的材料是熟鐵，即可鍛鐵。貝塞麥的轉爐鋼還沒有出世。熟鐵在磁場下雖然可以產生極強磁性，但去掉磁場后磁性會立即消失。人們還不知道高碳會造成永磁性。不過人們已懂得，在常溫反復鍛打熟鐵，硬度會不斷升高。同時還驚奇地發現：當硬化的鐵被磁化后，再去掉磁場時磁性會剩下很多。這就是當時使用的“永磁材料”。從此，硬度與磁性產生了難以分割的聯系。

1.2.3　專用永磁材料發明

L：聽說法拉第很早就研究過合金鋼，那是什么時候？為了什么目的呢？

H：19世紀初，銅合金仍是大型反射望遠鏡物鏡的首選材料，卻已顯示出硬度低、拋光性差、易銹蝕等弱點，但尚無更好的材料替代。1820年左右，高碳鋼仍是英國謝菲爾德的秘密，硬度極高，十分昂貴，但也易銹蝕。法拉第與烏茲鋼專家斯托達特（J·Stodart）合作研究鋼與其他元素構成“合金”后的性能，“合金”（alloy）一詞從此誕生，目的正是尋求更好的鏡面材料。受隕鐵抗銹蝕的啟示，他們嘗試向鋼中加入各種元素，如：鎳、鉻、銅（最多10%），貴金屬的金（1.0%）、銀（0.46%）、鉑（2.50%），甚至嘗試加入銠、鈀等。最后，他們認為鉻鋼最有價值，成為后來鉻鋼的源頭。雖然他們沒開發出實用材料，但法拉第開始的這種基礎研究方式，成為馬謝特等冶金學家的重要借鑒。

L：難道人工永磁材料會一直使用這種在常溫下鍛打熟鐵的加工硬化方式嗎？

H：當然不會。形變硬化熟鐵確實是19世紀前期出現的第一個實用人工永磁材料。這里強調熟鐵，是因為貝塞麥熔煉液態鋼水的轉爐還沒出現，普遍使用的鐵是考特發明的“攪煉爐”熟鐵。但到19世紀后期，也就是轉爐鋼開始取代熟鐵后，很快就出現了為追求硬度而研發的合金工具鋼，代表人物是英國冶金學家馬謝特。1858年馬謝特受到貝塞麥的鼓舞，開始改進坩堝法煉鋼，以求取代神秘昂貴的烏茲鋼，創造近代高碳鋼。1868年馬謝特開發出高鎢自淬火硬化鋼，即空冷硬化鋼。這時期，他還開發出CrWMn、9CrSi等工具鋼，以及碳素工具鋼，當時稱為“特殊鋼”。馬謝特也有“特殊鋼之父”的美稱。這些材料雖然是為制造各種工具開發出來的高硬材料，但人們自然會聯想到，它們是否也能成為良好的永磁材料？研究證明：這些高硬工具材料確實都能成為性能良好的永磁材料。所以人工永磁材料一經出現，就同時還跟隨一個“硬磁材料”的名字。硬度繼續保持著與永磁特性的神秘關聯。

L：第一個專門為永磁材料而開發的材料是什么時間，由誰開發出來的呢？

H：這已經是20世紀初年的事情了。19世紀后期為工具而開發的高碳合金鋼的最大磁能積已經能達到4千焦/米3，遠超過形變硬化熟鐵的1~2千焦/米3，可以滿足對永磁材料的普通需求。1916年第一次世界大戰期間，日本的第三所帝國大學——東北大學教授本多光太郎接受了軍方航空部門的委托，開發具有更高性能的永磁材料。他與助手高木弘合作，通過極周密的方案設計，進行了大量實驗研究。同年，開發出高鈷高鎢高碳永磁合金。用提供研究經費的住友吉左衛門的名字中的“吉左”命名為“KS磁鋼”。最大磁能積翻了一番，達到了 8千焦/米3，在世界首屈一指。

L：是日本對永磁材料情有獨鐘嗎？他們好像特別重視本多光太郎的這項發明。

H：可能是永磁性能容易被人理解吧。KS磁鋼發明后，日本國人普遍認為已躋身世界科技強國的行列，學術界也十分興奮，這給本多帶來了巨大的影響和榮譽。本多光太郎出身于農民家庭，畢業于東京帝國大學，曾于1907~1911年赴德國哥廷根大學留學，師從著名物理冶金學家塔曼。回國后在鋼鐵相變及金屬物理研究方法等領域取得諸多成果，1916年被授予帝國學士院獎。KS磁鋼發明后，住友家族又資助東北大學成立了鋼鐵研究所（后改名為東北大學金屬研究所），本多光太郎任第一任所長，是日本最著名的學術研究團體之一。1922年愛因斯坦訪問日本，受到舉國上下超常規熱情接待。他還特地安排訪問了仙臺的金屬研究所，會見了本多光太郎。

1.2.4　高性能鋁鎳鈷永磁的誕生

L：為什么要連續介紹永磁材料呢？是因為它確實發展得特別快嗎？

H：是的！永磁材料不僅性能直觀易懂，而且發展速度極快。鋁鎳鈷永磁材料的誕生，就是本多光太郎發明KS鋼15年之后的一次偶然性飛躍發展。1931年，日本東京大學38歲的三島德七教授在指導學生實驗時，一位學生發現切屑總是黏附在切削試樣上。教授感到情況異常，便立即停止了學生的實驗，并囑咐學生：什么都不要往外講。這時三島德七預感到，實驗中發現的切屑黏附應該與磁性有關。這并非自己的專長領域。正在切削的Fe-Ni-Al合金的成分，按理應該是沒有磁性的，這意味著將有新現象發生，一旦信息外泄將對自己不利。三島德七立即把合金成分、處理工藝等各種數據進行總結復核，發現該合金的最大磁能積比本多光太郎發明的KS鋼明顯提高，矯頑力提高近3倍，而且合金還有成本優勢，極具工業前景。他立即向美、日等國申請了永磁材料專利，并將新發明命名為MK鋼。

L：三島德七很精明啊。但他發明的Fe-Ni-Al合金真的具有獨特的創新意義嗎？

H：是的！這個發明的獨特之處就是加鋁，這是誰都沒有想過的。三島德七最初的研究目標也并非永磁材料。發明所涉及的材料新原理三十多年后才弄清。這是由于Fe-Ni-Al合金中存在一種特殊的固溶體分解機制，而引起這種分解的關鍵是加鋁。

L：三島德七的專利公布之后，立即在同行中產生很大反響了嗎？

H：日本的金屬材料研究中心并不在東京，而是在仙臺。MK鋼專利一公布，仙臺的本多光太郎無比震驚。他那年已63歲，榮任東北大學總長（即校長），享有日本金屬學之父的尊榮。一個遠在東京的領域外晚輩，居然搶了自己專長的風頭，他萬難接受。《本多光太郎傳》這樣描述他當時的感受：“他像被冷水澆頭，像被電擊了一般。”這時本多雖已擔任校長，卻沒有辭去金屬研究所所長職務，該所是本多一手創建的。此刻這里彌漫著失敗氣氛，因為仙臺“金研”一向以日本物理冶金王國自居。一生自負專橫的本多，忍不下紀錄被超越。他接連發問：“三島君現在紅起來了，是吧？這難道不是我們發明KS鋼后，15年來的粗心大意嗎？難道我們不應該奮起直追并超過他們嗎？”

L：63歲還不算老啊，本多教授的這種反應，應該是很正常的嘛！

H：但是，63歲是該大學教授的退休年齡。當本多很快了解到，三島的發明也是事出偶然時，立即下決心趕超。他招來弟子增本量和白川勇紀兩教授聯合攻關。但是，三島的專利已經對成分選擇構成了限制，關鍵是鋁已不能添加，只好用更貴的鈦來代替，并一再增加鈷含量。在極其不利的條件下，夜以繼日緊張研究，本多一天三次來研究室督戰。經過兩年奮斗，終于在1933年發明了“新KS鋼”。性能雖然超過MK鋼一點點，卻付出了成本大幅度增加的代價。1938年英國的奧利弗在MK鋼和新KS鋼的基礎上，提出了新永磁合金專利，取名為“Alnico”（鋁鎳鈷），性能高而價格廉，成分恰處于MK鋼和新KS鋼之間。

L：競爭以這樣的方式結束，不知本多光太郎會做何感想呢？

H：他應該意識到：“科學無止境，奮斗無窮期，新紀錄還會出現的。”新KS鋼的發明人上雖然署有本多的名字，但他逢人就解釋：“這是增本、白川兩君的研究成果，沒有我什么事。”不過，直到50年后釹鐵硼永磁材料出現為止，日本在永磁材料領域一直領先于世，這也是不爭的事實。這里，未嘗沒有當年戰斗般競爭的影子。

1.2.5　鐵氧體永磁材料的發明

L：所謂鐵氧體不就是氧化鐵嗎？與天然磁石不是同一物質嗎？這也算發明嗎？

H：可不能這樣說。鐵氧體與天然磁石已不可同日而語了。這是日本的又一項關于永磁材料的發明，意義深遠。日本人精于算計，他們自知國土狹小，資源匱乏，所以自覺地在原材料上注入更多智力，一直在磁性材料方面居于世界前列。雖然20世紀初德、法等國都進行鐵氧體研究，但最先公布于世的，卻是1933年日本學者加藤與五郎等的發明。鐵氧體永磁與我國古代四大發明之一的指南針雖然是同一種物質，卻不是同一種材料。或者說，從材料學角度分析，這完全不是一回事。

L：既然是同一種物質，為何又不是同一材料呢？物質與材料究竟差別在哪里？

H：差別就在于：說“物質”時，是不考慮其組織結構的，既然都是氧化鐵，那就是同一種物質；但是，講“材料”時，是考慮組織結構的，磁鐵礦與鐵氧體的組織形態是完全不同的。所以盡管兩者都是氧化鐵，卻并不是同一種材料。這就如同說碳纖維和石墨是同一種物質“碳”，卻不是同一種材料；金剛石與活性炭也是同一種物質“碳”，卻不是同一種材料，其道理是一樣的。有不同的組織形態，也就有不同的相應性能。這是強調“材料”概念的主要理由。而“物質”與“材料”概念上的這種差別，在任何情況下都是成立的，是普適的。

L：有理。不過“鐵氧體材料”的成分，也已經與“天然磁鐵礦”不一樣了吧？

H：問得好！這確是一個不容忽視的因素。但即使如此，鐵氧體材料之所以能夠發明，首先是依靠組織因素，其次才是成分調整的作用。而鐵氧體之所以具有特殊組織形態是由特殊加工方式造成的。這種特殊加工方式就是一整套“粉末冶金”工藝的問世。其中包括：將氧化鐵皮研磨成微細粉末；再經過壓力機和模具壓制成一定形狀；然后再經一定溫度燒結等一系列制作過程。燒結中還可以施加磁場，以使細小顆粒沿磁場方向排列成取向有利的微觀組織形態，以達到有利于磁性等舉措。因此鐵氧體產生了遠比天然磁鐵礦或氧化鐵優越得多的磁學性質。

L：那么，1933年日本學者的發明難道不包括組織以外的成分因素嗎？

H：包括。東京工業大學加藤與五郎和武井武最先創制出來的是含鈷鐵氧體永磁材料，稱為氧化物永磁體（稱OP磁石），包含添加鈷的作用。鈷添加提高了居里溫度。即使如此，仍必須強調新工藝和新組織的作用。1930~1940年代，法國、德國和荷蘭等國相繼開展了鐵氧體研究，其中荷蘭菲利浦公司的物理學家斯諾克，在1935年研究出具有優良性能的尖晶石結構含鋅軟磁鐵氧體，并于1946年實現工業生產。1956年又研究出亞鐵磁性的Y-Fe-O鐵氧體。從此，在世界范圍內開啟了一個氧化物磁性材料新時代。鐵氧體的主要原料是各鋼廠的“工業垃圾”——氧化鐵皮，所以價格低廉成為其主要優勢。因此，鐵氧體一直是性價比最好的材料，在永磁材料市場中一直處于第一位，最高時達永磁材料的半壁江山。2012年全球鐵氧體永磁產量已達100萬噸。

L：原來是這樣，那鋁鎳鈷永磁材料呢？它應該處于什么位置啊？

H：當然，如果僅就永磁性能而言，從1930年代到1960年代稀土化合物永磁出現為止，鋁鎳鈷永磁材料一直是第一位的。但如果就性價比而言，鐵氧體卻一直居于第一位。從可持續發展角度，它的資源再生優勢必須高度評價。

1.2.6　永磁材料的持續快速發展

L：為什么永磁材料會持續快速發展呢？有什么特殊原因嗎？

H：有。永磁材料的應用與發展是與第二次工業革命電氣化同步發展的。1820年丹麥科學家奧斯特發現電流的磁效應，1831年英國科學家法拉第發現電磁感應，迅速推動了工業電氣化的發展，同時也推動了物理學界的電磁學研究。1873年英國麥克斯韋建立電磁場理論，特別是1895年荷蘭洛倫茲建立電子理論，使磁學研究進入物質微觀世界。1895年法國皮埃爾·居里對物質的抗磁性和順磁性進行了研究，發現了順磁體磁化率與熱力學溫度成反正比的居里定律。1907年郎之萬和外斯用分子場推出了居里定律，并對鐵磁性給予了解釋。1936~1948年法國尼爾進一步深化了磁性物理理論。這一切都為永磁材料的快速發展提供了理論背景。不過，電氣化需求才是第一位的驅動力。

L：已經又提到了兩種新的永磁材料：鋁鎳鈷（Alnico）永磁和鐵氧體永磁。按著永磁性能的指標來說，都已經達到了什么樣的水平？能按時代給一個定量說明嗎？

H：永磁材料的性能可用最大磁能積 (BH)max表示。它是由矯頑力和剩余磁感應強度聯合決定的。所以，有時也要說明矯頑力(Hc)和剩余磁感應強度(Br)的大小。因為Alnico永磁和鐵氧體永磁，最后都發展成一個十分龐大的材料群體，很難用一組數字精確加以說明。如果用一個數字表示各個年代的水平，只能給出一個梗概：在1916年日本的本多研制KS鋼的時代，材料相對簡單，最大磁能積(BH)max約為8千焦/米3；1931年德國的凱斯特（W. K?ster）將KS剛加以調整和改進，稱作凱斯特合金，(BH)max可達12千焦/米3；1931年，令本多十分震驚的三島德七的MK鋼，(BH)max可以達到15千焦/米3；1933年，加藤與五郎的加鈷鐵氧體，(BH)max約為8千焦/米3，就是說用氧化鐵皮作原料，已達到了當年KS鋼的水平，所以引起全世界的關注；1933年本多率領弟子千辛萬苦研制的Fe-Co-Ni-Ti新KS鋼，達到 (BH)max≈16千焦/米3。1938年英國奧利弗在MK鋼和新KS鋼的基礎上，研制出的鋁鎳鈷（Alnico）永磁合金，達到了(BH)max≈40千焦/米3的水平。

L：那么，后來經改進的Alnico永磁和鐵氧體永磁，能達到怎樣的水平呢？

H：現在，Alnico永磁早已不是主流永磁材料了，鐵氧體永磁也主要是在性價比上能展示其優勢。如果說它們在1970年代曾達到的最高水平，則是：Alnico永磁的(BH)max≈80kJ/m3；鋇鐵氧體六方永磁的(BH)max≈32千焦/米3。

L：永磁材料的進步確實是很驚人的。所謂可變性永磁合金是什么意思啊？

H：還記得“永磁材料”即“硬磁材料”的故事吧。后來弄清了“硬”與永磁性能的關系，主要是對矯頑力的影響。而硬材料又總是與“不能變形”或“難變形”相聯系。所以德國科學家紐曼和丹尼爾在1937年和1938年相繼開發的永磁合金是極不尋常的。這些合金把永磁性能與塑性變形能力結合在一起。Cunife的(BH)max高達14千焦/米3；Cunico的(BH)max也能達到8千焦/米3。同時可以自由塑性變形，有人甚至用“變形糖人”來形容。這種兼有永磁特性和塑性的特點，是合金的“超細相分離組織”賦予的。還有兩種永磁材料值得一提：一是1936年德國科學家杰林豪斯（A. Jellinghaus）研制出的PtCo合金，(BH)max高達96千焦/米3，超過Alnico永磁，極易塑性變形，抗腐蝕能力極強，可稱永磁材料的王者。當然，價格也是王者，實際用途有限。另一是1971年日本學者金子秀夫等研發的FeCrCo永磁合金，因可塑性變形、節約Co和最大磁能積與Alnico相當，引起世界矚目，問題是工藝穩定性不如Alnico永磁。

1.2.7　最早的軟磁材料

L：軟磁材料在電力工業上的應用是不是比永磁材料更早啊？

H：是的。只是因為很早就有了天然磁石，才先介紹了永磁材料。軟磁材料雖然沒有天然材料，但是，卻有現成的材料。在法拉第的電磁感應發現之前，1820年奧斯特已經發現電流可以引起磁場，人們就已經在考慮如何應用這一現象。1825年，英國學者威廉·斯特金將通有電流的金屬線纏繞在絕緣包裹的鐵棒上，發明了電磁鐵。斯特金的發明還只是個實驗模型。證明了線圈中的鐵芯是一種特殊介質，可以造成比空心線圈強得多的磁場，未必已經開始設想后來的用途。但是，1930年美國科學家約瑟·亨利的發明對實用的思考是非常明顯的。他在設想如何吸引更大的重量。

L：那么，他們已經思考了線圈中的鐵芯材料會對這個發明有什么影響嗎？

H：最初還談不上。這個時期對磁學性質的認識還比較單純，只注意到鐵芯是一種可以使磁場強度（嚴格說是磁感強度）大為增加的介質。此外也可能注意到：一旦電流停止，鐵芯的磁性也就消失，這是最初對鐵芯的基本認識。但是，在多次的實驗研究中，對鐵芯材料本身的認識也在增進。其中最主要的一點是：鐵芯材料在常溫下（注意：不是在高溫下）經過反復鍛打后，當在線圈中被磁化時，會造成很強的磁性；電流停止后，鐵芯仍會殘余一定的磁性。而且注意到：鍛打的程度越高，鐵芯的硬度會越高，殘留的磁性也越大。鍛打后硬度提高的現象被稱作加工硬化。加工硬化現象被用來制作永磁材料，即天然磁石時代結束后的第一批永磁材料。

L：您是說，當時的鐵芯材料曾有過既是軟磁材料又是永磁材料的“兩性”歷史？

H：是這樣。這里有必要說明一下歐洲冶鐵業與中國的差別。歐洲大約比中國晚20個世紀，在16世紀才有了高爐煉鐵業，生產生鐵。歐洲使用的鐵，主要是用公元前12世紀由西亞傳入的塊煉鐵技術。這一技術在瑞典獲得了不斷的進步，開始小批量生產貴重的金屬鐵。在18世紀后期的1783年，由英國偉大冶金工程師考特發明了利用液態生鐵和鐵礦石生產可鍛鐵的技術，也稱熟鐵技術，可以大規模生產鐵，以滿足各種機器制造的需要。卡爾·馬克思從經濟學家的視角，給予這項發明以極高評價：“不管怎樣贊許，也不會夸大這一革新的重要意義。”這種可鍛鐵含碳很低，近乎純鐵。但因為未經全液態熔制，所以，非金屬夾雜物很多。如果反復在常溫鍛打，鐵中夾雜物會粉碎，還會產生大量缺陷和應力。這些都會提高鐵的矯頑力，可以充當永磁材料；如果經過成形需要的鍛打后，再施以充分的退火，則除夾雜物外各種缺陷都會消除，硬度因之下降，這時的鐵又會具備充當軟磁材料的條件。所以稱當時的可鍛鐵為兩性材料也很恰當。

L：用可鍛鐵來充當軟磁材料，一直持續了很多年嗎？

H：不長，也就20~30年吧。1856年貝塞麥發明了轉爐煉鋼技術。轉爐鋼經過全液態熔煉，材料的純凈度提高，夾雜物含量大幅度降低。這時的低碳鋼和工業純鐵作為廉價材料，大批量問世。特別是工業純鐵，含碳量極低。這些特點都是非常適合用作軟磁材料的。這時期也開發了高碳合金鋼，雖然是工具材料，而不是專用永磁材料，但與加工硬化可鍛鐵相比，是更適用的永磁材料。1870年代以后，以工業純鐵和高碳合金鋼為代表的軟磁材料和永磁材料有了明確的分工。具有“兩性”特征的可鍛鐵作為早期磁性材料的起始點紀念物倒是非常合適的。

1.2.8　軟磁材料的升級

L：軟磁材料也像永磁材料那樣，不斷快速升級、更新換代嗎？

H：是的，但兩種材料的差別是很大的。如前節所述，雖然從19世紀早期的電氣化革命開始階段，永磁材料和軟磁材料都是發源于“可鍛鐵”，但是，到19世紀末期以后，兩者迅速更新換代，不斷升級，也終于分道揚鑣，差別越來越大，兩者的共性也越來越少。永磁材料只在19世紀早期，進入過基礎電力工業，充當過發電機材料，后來主要是在電器信息檢測、自動控制、電子通信、計算機、電動汽車、航空航天等工業部門發揮作用。而軟磁材料卻從一開始直到現在，都是基礎電力工業的主體材料，如變壓器、發電機、電動機的鐵芯材料等。除此之外，軟磁材料也很快進入了信息檢測、自動控制、電子通信、計算機等工業部門。軟磁材料發展成為無論在產量上，還是在種類上，都是功能材料中規模最大的一個品類。例如，2006年全球僅冷軋硅鋼片一項，產量就已達到了1255萬噸。這在功能材料中是穩居第一位的。這一產量即使與結構鋼中的某一大品類（如不銹鋼）相比，也是同一量級的。

L：那么，這第一個專用的軟磁材料是在何時，由誰發明的呢？

H：這位發明人作為冶金、材料學家是鼎鼎大名的，他也是哈德菲爾德鋼（中文名錳13）的發明人，英國的羅伯特·哈德菲爾德爵士。這位爵士出生于謝菲爾德的一個鋼鐵世家，1882年起系統研究Si和Mn在鋼中的作用。1883年他研究的高錳鋼取得了專利，奠定了其合金鋼領域創始者的地位。1886年，哈德菲爾德關于含4%Si鋼各項性能的研究取得了專利。與工業純鐵相比，4%Si鋼具有固態下無相變、電阻高、矯頑力低等適合制作大尺寸軟磁材料的優點。哈德菲爾德于1900年正式公布了他發明的不同Si含量的硅鋼片，成為第一個專用軟磁材料，比第一個專用永磁材料早了16年。主要用途是制作發電機、電動機定子、轉子以及變壓器的鐵芯。100多年來，雖然硅鋼片制作技術不斷提高，不斷進步，但是作為材料基本成分的Fe-Si合金，以及Si含量為2.0%~4.0%的成分范圍，卻是一直沒有變化的。令人感興趣的還有一點：1883年哈德菲爾德發明的錳13耐磨無磁鋼也沿用至今，成分也沒有變更過。

L：那么，您怎樣解釋這一現象呢？難道是哈德菲爾德真的有先見之明嗎？

H：我想，哈德菲爾德扎實的基礎研究是一個重要因素，但是，這里并不存在百年之久的“先見之明”。哈氏是第一代合金鋼研究者。這些研究者手中都掌握一種1860年前后完善起來的武器——“坩堝熔煉爐”，可以熔制20千克左右的合金鋼，加上成分性能分析。這一武器不可小覷。在此武器之前50年，坩堝鋼還屬于神秘的“烏茲鋼”，不僅價比黃金，而且工藝神秘，只有謝菲爾德的少數工匠世代相傳。哈德菲爾德等在這一時期的研究，是按1820年代法拉第的方法，全面、大量地探討了碳、鎳、鉻、硅、錳、鎢、鉬、釩等在鋼中的作用。因此，能夠流傳下來的少數鋼種，只是從沒被提起的大量研究結果中的幸運者，僅此而已。另外，也有些偶然因素，如：哈氏當時著迷于探討Mn的脆化作用，可當時沒有低碳錳鐵。錳鐵含碳都高，所以當哈氏把Mn添加到13%時，碳也進去了1%以上。結果在碳與錳的聯合作用下，奧氏體（fcc結構）居然被降到室溫，并含有大量碳化物，該組織具有極強的耐磨性，于是成就了沿用至今的耐磨鋼。硅鋼也有特殊成因：含4%Si是不得已的選擇，Si再多軟磁性能更好，但太脆，制不成板材。總之，沒有先知先覺，好鋼種是大量實踐的篩選結果。

1.2.9　精密軟磁材料的發明

L：什么是精密軟磁材料？精密是指尺寸精度，還是別的？

H：并非指尺寸精度。大體上是相對于硅鋼片而形成的概念。前節講過，硅鋼片產量以千萬噸計，是大工業材料。但是，從19世紀末起，也開始出現極精密的機械，需要精密的小電機、小變壓器，要求更高性能的磁芯材料。另外還出現了電子通信、自動控制等方面使用精細磁性材料的要求。這種材料的需求量不再是百、千噸量級，而可能只是千克量級的。于是產生了一個“精密材料”的概念，這個精密是指對材料的性能要求更高、更準確、更精致；主要不是指幾何尺寸，而是生產方式。

L：就是說，軟磁材料已經有了兩個領域，一是硅鋼片，一是精密合金，是嗎？

H：正是這個意思，這兩個領域越到后來分別越清楚，當然精密合金不僅涉及軟磁材料，也包括同時興起的永磁材料等其他性能要求更精致的合金。1914年美國貝爾實驗室的科學家埃爾曼發現，含鎳量為78%的鎳鐵合金在弱磁場下具有良好的軟磁特性。如圖所示，其磁滯回線與硅鋼片顯著不同。命名為坡莫合金（permalloy），意為“透磁合金”，是指在加不大的磁場時，就能穿透“磁障”進入磁性狀態，術語叫“透磁率”或“磁導率”高。坡莫合金的磁滯回線瘦而高，表明很小的磁場H就能達到很高的磁感強度B；而硅鋼片要更高的磁場H，才能達到同樣的磁感強度B，即透磁率低。磁滯回線對比還說明，坡莫合金的矯頑力也比硅鋼片低得多。由此可知，坡莫合金是比硅鋼片性能好得多的軟磁材料。但由于價格很高，只能用于音頻變壓器、互感器、磁放大器、磁調制器、音頻磁頭等。它后來發展成軟磁材料中類型最多，品種和用途最廣，具有代表性的一大類材料。

L：此后，精密合金中的軟磁材料又有了怎樣的進步呢？

H：這里介紹一下日本東北大學的情況。1936年本多光太郎的弟子增本量等開發出Fe-Si-Al軟磁合金，因為太脆，已經難以制成塊體或者薄片。只能制成粉末，再利用粉末冶金方法制成所需要的形狀，所以也稱為仙臺粉（Sendust）。磁導率可以遠遠超過坡莫合金，是知名度很高的精密軟磁材料，繼續維持著仙臺和東北大學在磁性材料研究方面的輝煌史。直到1970年代，東北大學金子秀夫等開發了有塑性變形能力的FeCrCo永磁合金，1980年代初東北大學物理學家高橋實在Nd-Fe-B永磁方面進行的重要探索，一直延續著磁性材料研究的優良傳統。

L：前面介紹了鐵氧體永磁材料的初創，鐵氧體軟磁材料后來的進展如何？

H：早在1935年荷蘭菲利浦實驗室物理學家斯諾克就已研究出各種具有優良性能的尖晶石結構含鋅軟磁鐵氧體，并于1946年實現了工業化生產。到1950年代，法國物理學家尼爾和德國物理學家拜爾陶特等對于鐵氧體的理論問題，做了深入研究。這時期還開發出了亞鐵磁性的Y3Fe5O12等鐵氧體。由于這類磁性化合物的晶體結構與天然礦物石榴石相同，故也稱為石榴石結構鐵氧體。鐵氧體軟磁材料在較弱的磁場下，易磁化也易退磁，剩磁極小或沒有，所以可以在低磁場、高頻電流條件下發揮重要作用。其中Mn-Zn鐵氧體的產量和用量最大，這種鐵氧體的電阻率低，一般在中等以下頻率使用。主要用作各種電感元件，如濾波器磁芯、變壓器磁芯、無線電磁芯，以及磁帶錄音和錄像磁頭，其磁導率可超過坡莫合金。另外，它還具有十分突出的價格和資源優勢。以Fe2O3為主成分的亞鐵磁性鐵氧體，也是采用粉末冶金方法生產的磁性材料。

1.2.10　磁致伸縮材料

L：為什么是焦耳發現磁致伸縮？他不是研究熱力學的嗎？很有跨越感啊！

H： 1842年，鴉片戰爭之后的第2年，焦耳發現磁致伸縮。那時的科學家總是盯著科學問題。1820年法拉第還在關心如何提高鋼的抗腐蝕性，1831年前他卻發現了電磁感應定律，掀起了電氣化的最大風暴。焦耳正是在1843年確定了熱功當量，而且正是受了電流熱效應的啟發，才進入了熱力學。焦耳自幼跟著父親學習釀酒，沒有受過正規教育。青年時期經人介紹，焦耳認識了著名化學家道爾頓。道爾頓給予焦耳以熱情教導，教了他數學、哲學和化學知識，更重要的是，道爾頓教給了焦耳以理論結合實踐的治學方法，激發了焦耳對科學問題的興趣。19世紀中期是科學家自由發揮的時代，由他觀察到磁致伸縮現象是毫不奇怪的。1842年詹姆斯·焦耳在觀察鐵樣品磁化時發現了磁致伸縮現象。

L：那么，焦耳順著他的發現繼續研究下去了嗎？

H：沒有。當時他還是個不為人知的鄉下青年。焦耳在1839年就注意了電流引起發熱的現象，他還在1840年寫出論文，定量論證了電流的熱效應，寫出了公式，論文刊載在由電磁鐵發明人斯特金所辦的《電學年鑒》上。雖然焦耳是想讓英國皇家學會大吃一驚的，但很遺憾，論文并沒有引起人們的注意。還是稍后，1842年俄國科學家楞次的研究發表后，人們才回憶起焦耳的論文。由于焦耳發表在先，所以該定律才被稱為“焦耳-楞次定律”。但是，從此斯特金與焦耳成了忘年交。焦耳得以在斯特金的帶領下參加曼徹斯特的各種學術活動，或發表演講。

L：您是說焦耳對電的興趣更大，并沒有繼續關注磁致伸縮現象的研究？

H：是的。那是個電力乍興的時代。另外，當時的人與現代人對焦耳的感受會有很大差別，這是常見的歷史人物歷史評價差異。由于能量使用“焦耳”的單位，熱功當量密切聯系著能量守恒定律，再加上焦耳-楞次定律、磁致伸縮、焦耳-湯姆孫效應等等，現代人會把焦耳看成圣人般的存在。但在當時，焦耳其實并沒有很大的影響。就在1843年他在英國《哲學雜志》發表論文《關于電磁的熱效應和熱的功值》，定量證實能量守恒時，人們也并沒有很強烈的反響。很多人根本不相信：不同性質的能量之間會發生轉化。焦耳把大家的不相信歸因于實驗還不夠精確。他不斷改進實驗方法，更換測定介質：利用過水、鯨魚油、水銀等等。到1878年，近40年中，他做了400多次各種介質的實驗，測得熱功當量的數值為423.9千克·米/千卡。而磁致伸縮是由原子的磁有序排列和無序排列的轉換所造成的宏觀尺寸變化，這一變化也將伴隨電磁能與機械能之間的轉換。這是焦耳當時還無法預料得到的。

L：焦耳真是太執著了，就沖著這種精神，把他看作圣人也是沒錯的。

H：焦耳沒有再去做磁致伸縮研究，是因為那是個極小的量值，伸縮系數約為10-5。一時看不到應用價值，理論上的解釋也在19世紀中期難以做到。直到一個世紀后的1940年，人們才利用鎳及其合金在交變電流的磁場下所發生的磁致伸縮響應，制作了超聲波發生器。這種應用具有機電耦合系數高、價格低廉、性能良好、響應速度快等優點。有人說磁致伸縮的響應速度，會高于人的思維速度，還沒看到進一步的說明。但是，1858年威德曼效應的發現確實促進了磁致伸縮效應的應用。特別是1960年代巨磁致伸縮現象的發現，使磁致伸縮材料成為一種重要的智能材料，這些在下章還要介紹。

1.2.11　因瓦合金發明獲諾貝爾獎

L：為什么把獲得諾貝爾獎作為該節的標題？與諾獎有關的材料不是很多嗎？

H：是很多。但是，為一項材料的研制成功而授獎，是設立諾貝爾物理學獎以來唯一的一次，所以特別把這個材料的獲獎設為標題。2000年，日本筑波大學的白川英樹、美國加利福尼亞大學的艾倫·黑格和美國賓夕法尼亞大學的艾倫·麥克迪阿密因為“聚合物導電的發現和發展”而獲得該年度諾貝爾化學獎，與紀堯姆獲獎有某些程度的相似，但其實還是有重大差別的。1920年，使紀堯姆獲獎的因瓦合金只是一種對保證計量穩定性有重要意義的具體合金；而白川英樹等的成果是對原本只有絕緣性的塑料在導電性質方面的大幅度明顯拓展，將要涉及許多材料的開發。

L：紀堯姆是位物理學家，是什么動力使他也研發起材料了呢？

H：19世紀后期是一個重視材料發明的時代，物理學者加入發明大軍，是很正常的。夏爾·紀堯姆出生在瑞士的著名鐘表制造城弗勒里爾，父親是一位鐘表制造工程師。1882年紀堯姆在蘇黎世理工大學獲得了博士學位，然后進入當時設于巴黎附近的國際度量衡局。1890年，該局開始尋找一種廉價材料，以代替制造“標準米棒”的鉑銥合金。于是，紀堯姆對鐵鎳合金進行了系統研究，首先發現了一種含24%Ni和2%Cr的鐵基合金，這種合金的塑性比純鐵還要好。后來，終于在1896年發現了一種含鎳35.6％的合金，它的膨脹系數遠低于當時已知的任何一種金屬，只有鐵的1/10左右。而且經過適當加工處理后，還可以使其膨脹系數接近于零，因而把它稱作“因瓦合金”（Invar），意思是體積保持不變。與此同時，紀堯姆還發現了一種恒彈性鋼，這是一種鎳鉻合金鋼，它的彈性在很寬的溫度范圍內保持不變，被稱作“艾林瓦合金”（Elinvar）。就是說，紀堯姆任職于國際度量衡局，這項發明屬于他的本職工作。

L：紀堯姆的故鄉是瑞士，他一定會想到把這種合金應用在鐘表上吧？

H：是的！因瓦合金發明后，紀堯姆立刻意識到這種合金在精密儀器制造中會有特殊意義。1897年他把這種合金應用于制造標準鐘表，以用來校正普通手表。他還制成了因瓦合金計量棒，用于大地測量。 后來，因瓦合金一直被用在要求線度穩定性高的地方，例如精密儀表、地震蠕變規、電視陰影面具、摩托閥、防磁表、高精度土地測量的高度水平桿等方面。

L：不過，諾貝爾物理學獎一直被認為是基礎研究的最高成就。1920年諾貝爾物理學獎發給紀堯姆，固然是材料研究的光榮，是不是也說明這幾年基礎物理缺乏突出成果啊？

H：不，恰恰相反！這些年是現代物理研究成果的活躍期。但是，也正是瑞典皇家科學院諾貝爾物理學獎評選委員會，為能否頒發給愛因斯坦諾貝爾物理學獎而弄得焦頭爛額的時候。1910～1921年的12年中, 除1911 年和1915年外，愛因斯坦每年都被提名為諾貝爾物理學獎的候選人。但是支持者和反對者形成了尖銳的對立，反對者總是以愛因斯坦的“狹義相對論”缺乏證據為理由加以否定，其中最典型的是瑞士的眼科醫生古爾斯蘭德，1911年諾貝爾生理學或醫學獎得主。他一直是物理學獎評委，還一度擔任物理學獎評委會主席。古爾斯蘭德當時稱：把猜想者放在授獎考慮之列，是極不可取的。到1921年雙方的對立竟致諾貝爾物理學獎不能頒發的程度。1920年頒發給紀堯姆及因瓦合金，正是反映了評選者們當時的價值取向：對準確物理量測定的高度重視，對實證研究的特別垂青。