1.2　磁性材料

磁性材料是人类最早认识的天然功能材料。很多民族都在公元前就有过关于磁性的记录。据说古希腊哲人泰利斯（Thales）公元前6世纪就描述过磁性。中国先秦经典特别是东汉名著《论衡》描述了天然永磁作为“司南”的应用。宋代科学家沈括在11世纪详细描述了天然永磁体指南针的制作，是中国古代四大发明之一。近代最早研究天然磁性材料的是英国医生与科学家吉尔伯特，他曾任英国女王伊丽莎白一世的御医。在1600年吉尔伯特发表的名著《论磁》中，讨论了指南针的应用和地球的磁极等问题。吉尔伯特还是一位天文学家，所以他指出了磁针指南现象与地球磁场的关系。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。

天然磁石就是磁铁矿，主要成分为Fe3O4，属于铁矿石的一种，储量不多，磁性不强，并不能满足人们不断提高的需求。尽管在公元前18世纪赫梯人发明的块炼铁，已经是“潜在的”人工磁性材料了。但是在发明电力及电磁感应之前的3600年间，人们没有能力使这种材料磁化。所以，在天然磁铁矿的磁性被认识之后的三千多年间，它一直是唯一可利用的永磁材料，居里温度约578℃，最大磁能积约1~2千焦/米3。

奥斯特和法拉第使情况发生了变化，19世纪中期第二次工业革命兴起。法拉第发现电磁感应后，人们开始研制发电机和电动机。开始懂得磁场可使铁具有磁性，但去掉磁场后，磁性也会随之消失。所以铁虽是最初的人工磁性材料，却是软磁材料。这种所谓的人工软磁材料，不仅有远古的块炼铁，也包括18世纪末考特发明的搅炼炉“可锻铁”。19世纪中期贝塞麦用转炉炼出来的低碳钢或工业纯铁是更好的软磁材料。人们终于明白：原来磁性材料可以不必依靠天然磁石。人工磁石是可以靠电来制造的。

到19世纪早期人们还进一步发现：如果可锻铁经过常温下反复锻打，硬度会不断提高，而硬度提高后的可锻铁在磁化后，即使去掉磁场，仍会保留一定磁性。这种经锻打而硬化的材料，就是最早的人工硬磁材料，最大磁能积也可达1~2千焦/米3。19世纪后期发明的工具钢硬度更高，在磁场去掉后，能保持更高的磁性。磁性能否保持与材料硬度产生了奇妙联系。其道理半个多世纪后才弄明白。从此，称软铁为软磁材料；称硬度更高的铁或钢为硬磁材料，也即永磁材料，与天然磁石是同类，比后者磁性更高，最大磁能积可达4千焦/米3。

尽管高碳工具钢已经比天然磁石的性能好多了，但是人们对永磁材料的需求也在不断提高。1916年，日本科学家本多光太郎发明了第一个专用永磁材料——高钴含钨钢，最大磁能积达到8千焦/米3，名叫KS钢。1931年日本材料学家三岛德七无意中发明了性能更高的，成分全新的MK钢。1938年英国科学家奥利弗在此基础上发明了Alnico永磁材料，最大磁能积可达40千焦/米3。从此，永磁材料开始了持续百年，种类和性能不断刷新，快速发展的历史，成为功能材料发展史上的一面旗帜。

软磁材料是电力工业出现后的产物，当然不会有天然材料。不过，如果从软磁材料一开始就选择现成的可锻铁来说，也是从非专用材料起步的。电动机、发电机的最初铁芯材料都是工业纯铁。到1900年哈德菲尔德发明了第一个专用软磁材料——硅钢。这是电极转子和定子用的铁芯材料。其后又发明了坡莫合金、仙台粉（Sendust）等多种性能更高的精密软磁材料。因瓦合金虽然不是磁性材料，但它确实是典型的铁磁性材料。它的低膨胀特性与磁性的关系也一直是探究热点之一。

1.2.1　最早应用的功能材料

L：您已说过伽利略是功能材料第一人，现在又说最早的功能材料应用要比伽利略早得很多。这是否会有令人感到前后矛盾的疑惑呢？

H：其实并不矛盾。首先，在选择伽利略作为功能材料的起始之时，已经注意到：如以应用天然磁石作为功能材料的起点，有诸多不当。其次，虽然公元前几世纪希腊哲人和中国智者就记载过对天然磁石的认识，其后天然磁石也有过一些应用，但是这些应用还没有不可替代性。最主要的是天然磁石终究不是人类制作的材料。而伽利略则不然，他利用玻璃透镜所创造的科学器具——望远镜，不仅当时就改变了人类对世界的认识，其后无数有志者跟着他的方向，应用他的方法，发展他的探求，推动了科学技术的前进。即使我们现在论述比伽利略更早的天然磁石的认知与应用，也不能撼动伽利略为功能材料第一人的地位。

L：您的话有理，我明白了。还是回顾一下我们祖先在天然磁石应用上的贡献吧。

H：我们祖先的贡献是伟大的，现在想起来都令我们骄傲。但是，我们也必须有胡适、顾颉刚等疑古派史学家们的科学精神，做到“无征不信”。“有一份证据说一份话”。不要让古代典籍成为无法信任的鸡肋，而应该让它们成为经得起科学考证的智慧之源。中华文明虽然在世界上不算很早，有3600多年的信史。尽管有过秦始皇恶意焚书的厄运，但由于连续不断，历史典籍存留之多，仍在世界上首屈一指。但是数千年来，典籍在流传过程中屡遭有意篡改、冒名顶替、无中生有、版本舛误等干扰，需要很强的甄别辨伪能力。下面的一些引文就要注意这个问题。

L：《鬼谷子》和《韩非子》都是先秦典籍，遭遇焚书了吗？“司南”记述可靠吗？

H：先秦典籍并非全部被毁。《鬼谷子》历来不为学者所重，成书年代也无定论，关于司南的论述只可做参考。《韩非子》可靠性极高，关于司南之议，可与《鬼谷子》相呼应，成为用磁性定方位的有价值依据。但公元86年东汉学者王充的著作《论衡》，历代学者评价甚高，应是司南器物的可靠记载。至于宋代著名科学家沈括的《梦溪笔谈》，是成书于1086～1093年的名著，为历代学者所重，是人类认识和利用天然磁石的最早、最详细的记载。因此指南针列入中国古代四大发明之一。从沈括的记载可知，确定“南”这个方位，中国是另有其法的。那就是历代使用的“日圭”，即测定一日中日影最短那个方位的器具。正因如此，沈括才知道指南针所指的并非正南，而稍偏东。这正是后来所称之“磁偏角”。一天之中磁极位置在不停移动，其轨迹为一椭圆。北京附近普通情况下磁偏角最大可达6°。

L：就是说我们祖先在永磁材料的认识上远早于欧洲，这一点是无可怀疑的了。

H：是的。但还应当指出，最准确的“指南针”白天是太阳，晚上是星空。据说某些动物如候鸟，都具有以此辨别方向的本能。但是，只要有较长时间见不到太阳或星空时，指南针便成为识别方向的重要工具。特别是对于航海家，只要有数小时迷失方向，就可能遭遇危难，指南针是他们须臾难离的利器。到16世纪末，英国医生吉尔伯特在观察与实验基础上，著《论磁》六卷。这是一部记录了磁石的吸引与排斥、磁针指向南北、加热可使磁性消失、铁片可屏蔽磁石等性质的巨著，并断定地球本身是个大磁体，提出了“磁轴” “磁子午线”等概念。这在磁性研究上的成就辉煌，已超越我国。

1.2.2　人造永磁材料应用——永磁发电机

L：除了指引方向外，人们还发现了永磁材料的其他重要用途了吗？

H：在工业革命的18世纪前，人类对永磁材料的认识前进不多。当时还不知道，其实人类早已发明了潜在的永磁能力远超天然磁石的材料，这就是公元前18世纪赫梯人发明的块炼铁，公元前6世纪中国人发明的生铁，以及公元前5世纪印度人发明的乌兹钢。只是，在19世纪电气化革命前，人类不可能知道：靠强大磁场可以把铁或钢磁化成永磁材料。是1831年迈克尔·法拉第发现的电磁感应，开启了人造磁性材料的大门。

L：您是说，是身跨物理、化学两学科的伟大科学家法拉第，引来了人工永磁材料？

H：正是！可是这里无法回避一个令人难过的，既显示人性弱点，又体现人性光辉的，法拉第与恩师汉弗莱·戴维的故事。法拉第的父亲是一位穷铁匠，小法拉第只念了两年小学，12岁当报童，13岁当订书学徒，却从不放弃任何学习机会。1813年22岁的法拉第被著名化学家戴维选作实验助手，从此步入科学生涯。法拉第跟随戴维得到了大量学习机会，对既是导师又是恩人的戴维无比崇敬。但是到1823年，皇家学院十年的勤奋学习加上绝顶聪明，弟子已开始显露出超越先生的势头。这年，著名科学家乌拉斯顿来访，想当着戴维和法拉第的面，做一个导线与磁铁相互作用的表演。他认为应该发生导线自转，但实验失败了。当时，戴维并没弄懂乌氏的表演，可法拉第却懂了，而且判断：导线应该发生的是公转，并自己成功地完成了实验表演。可是，这个成功给戴维带来的不是快慰，相反，人性中阴暗的嫉妒吞噬了良知。戴维无法接受法拉第的超越。他先是否认法拉第的成功，继而诋毁法拉第实验是对乌拉斯顿的剽窃，最后还反对多人联合对法拉第竞选皇家会员的推荐。这使得戴维去世前，法拉第不得不放弃电学研究。而曾发明过相机镜头的乌拉斯顿却很大度，对法拉第的实验成功十分赞赏。

L：那您为什么又说，法拉第这段不堪回首的往事体现了人性光辉呢？

H：这是因为：人都有弱点。戴维可能过分沉湎于有恩于法拉第的心态，以至于年薪只有100镑的实验助手法拉第，已被法国科学院聘为通讯院士。这样巨大的变化，戴维都没注意。但戴维仍不失为伟大的科学家。当他在50岁英年早逝前被问及：您最重要的发现是什么？他的回答竟是：“我发现了迈克尔·法拉第。”这说明人的心灵光明是会战胜阴暗的。1831年11月24日，法拉第在重开电学研究后宣布：他发现了电磁感应现象。这很快掀起了发电机和电动机的发明热潮，永磁材料也立即进入发明家关注的视野。法拉第虽出身寒门却个性独特，是位纯粹的科学家。每当看到研究会涉及重要商机时，他会选择离开，把机会留给他人。因为那是个不缺乏发明家的时代。果然，在电磁感应发现后，法国的皮可西展示了手摇式永磁发电机；法国的诺莱也在1850年设计了水力驱动的多种大功率永磁发电机，以解决灯塔用电问题。

L：问题是用什么材料来制作那么大的马蹄形磁铁呢？能选择昂贵的坩埚钢吗？

H：当然不能！当时最熟悉的材料是熟铁，即可锻铁。贝塞麦的转炉钢还没有出世。熟铁在磁场下虽然可以产生极强磁性，但去掉磁场后磁性会立即消失。人们还不知道高碳会造成永磁性。不过人们已懂得，在常温反复锻打熟铁，硬度会不断升高。同时还惊奇地发现：当硬化的铁被磁化后，再去掉磁场时磁性会剩下很多。这就是当时使用的“永磁材料”。从此，硬度与磁性产生了难以分割的联系。

1.2.3　专用永磁材料发明

L：听说法拉第很早就研究过合金钢，那是什么时候？为了什么目的呢？

H：19世纪初，铜合金仍是大型反射望远镜物镜的首选材料，却已显示出硬度低、抛光性差、易锈蚀等弱点，但尚无更好的材料替代。1820年左右，高碳钢仍是英国谢菲尔德的秘密，硬度极高，十分昂贵，但也易锈蚀。法拉第与乌兹钢专家斯托达特（J·Stodart）合作研究钢与其他元素构成“合金”后的性能，“合金”（alloy）一词从此诞生，目的正是寻求更好的镜面材料。受陨铁抗锈蚀的启示，他们尝试向钢中加入各种元素，如：镍、铬、铜（最多10%），贵金属的金（1.0%）、银（0.46%）、铂（2.50%），甚至尝试加入铑、钯等。最后，他们认为铬钢最有价值，成为后来铬钢的源头。虽然他们没开发出实用材料，但法拉第开始的这种基础研究方式，成为马谢特等冶金学家的重要借鉴。

L：难道人工永磁材料会一直使用这种在常温下锻打熟铁的加工硬化方式吗？

H：当然不会。形变硬化熟铁确实是19世纪前期出现的第一个实用人工永磁材料。这里强调熟铁，是因为贝塞麦熔炼液态钢水的转炉还没出现，普遍使用的铁是考特发明的“搅炼炉”熟铁。但到19世纪后期，也就是转炉钢开始取代熟铁后，很快就出现了为追求硬度而研发的合金工具钢，代表人物是英国冶金学家马谢特。1858年马谢特受到贝塞麦的鼓舞，开始改进坩埚法炼钢，以求取代神秘昂贵的乌兹钢，创造近代高碳钢。1868年马谢特开发出高钨自淬火硬化钢，即空冷硬化钢。这时期，他还开发出CrWMn、9CrSi等工具钢，以及碳素工具钢，当时称为“特殊钢”。马谢特也有“特殊钢之父”的美称。这些材料虽然是为制造各种工具开发出来的高硬材料，但人们自然会联想到，它们是否也能成为良好的永磁材料？研究证明：这些高硬工具材料确实都能成为性能良好的永磁材料。所以人工永磁材料一经出现，就同时还跟随一个“硬磁材料”的名字。硬度继续保持着与永磁特性的神秘关联。

L：第一个专门为永磁材料而开发的材料是什么时间，由谁开发出来的呢？

H：这已经是20世纪初年的事情了。19世纪后期为工具而开发的高碳合金钢的最大磁能积已经能达到4千焦/米3，远超过形变硬化熟铁的1~2千焦/米3，可以满足对永磁材料的普通需求。1916年第一次世界大战期间，日本的第三所帝国大学——东北大学教授本多光太郎接受了军方航空部门的委托，开发具有更高性能的永磁材料。他与助手高木弘合作，通过极周密的方案设计，进行了大量实验研究。同年，开发出高钴高钨高碳永磁合金。用提供研究经费的住友吉左卫门的名字中的“吉左”命名为“KS磁钢”。最大磁能积翻了一番，达到了 8千焦/米3，在世界首屈一指。

L：是日本对永磁材料情有独钟吗？他们好像特别重视本多光太郎的这项发明。

H：可能是永磁性能容易被人理解吧。KS磁钢发明后，日本国人普遍认为已跻身世界科技强国的行列，学术界也十分兴奋，这给本多带来了巨大的影响和荣誉。本多光太郎出身于农民家庭，毕业于东京帝国大学，曾于1907~1911年赴德国哥廷根大学留学，师从著名物理冶金学家塔曼。回国后在钢铁相变及金属物理研究方法等领域取得诸多成果，1916年被授予帝国学士院奖。KS磁钢发明后，住友家族又资助东北大学成立了钢铁研究所（后改名为东北大学金属研究所），本多光太郎任第一任所长，是日本最著名的学术研究团体之一。1922年爱因斯坦访问日本，受到举国上下超常规热情接待。他还特地安排访问了仙台的金属研究所，会见了本多光太郎。

1.2.4　高性能铝镍钴永磁的诞生

L：为什么要连续介绍永磁材料呢？是因为它确实发展得特别快吗？

H：是的！永磁材料不仅性能直观易懂，而且发展速度极快。铝镍钴永磁材料的诞生，就是本多光太郎发明KS钢15年之后的一次偶然性飞跃发展。1931年，日本东京大学38岁的三岛德七教授在指导学生实验时，一位学生发现切屑总是黏附在切削试样上。教授感到情况异常，便立即停止了学生的实验，并嘱咐学生：什么都不要往外讲。这时三岛德七预感到，实验中发现的切屑黏附应该与磁性有关。这并非自己的专长领域。正在切削的Fe-Ni-Al合金的成分，按理应该是没有磁性的，这意味着将有新现象发生，一旦信息外泄将对自己不利。三岛德七立即把合金成分、处理工艺等各种数据进行总结复核，发现该合金的最大磁能积比本多光太郎发明的KS钢明显提高，矫顽力提高近3倍，而且合金还有成本优势，极具工业前景。他立即向美、日等国申请了永磁材料专利，并将新发明命名为MK钢。

L：三岛德七很精明啊。但他发明的Fe-Ni-Al合金真的具有独特的创新意义吗？

H：是的！这个发明的独特之处就是加铝，这是谁都没有想过的。三岛德七最初的研究目标也并非永磁材料。发明所涉及的材料新原理三十多年后才弄清。这是由于Fe-Ni-Al合金中存在一种特殊的固溶体分解机制，而引起这种分解的关键是加铝。

L：三岛德七的专利公布之后，立即在同行中产生很大反响了吗？

H：日本的金属材料研究中心并不在东京，而是在仙台。MK钢专利一公布，仙台的本多光太郎无比震惊。他那年已63岁，荣任东北大学总长（即校长），享有日本金属学之父的尊荣。一个远在东京的领域外晚辈，居然抢了自己专长的风头，他万难接受。《本多光太郎传》这样描述他当时的感受：“他像被冷水浇头，像被电击了一般。”这时本多虽已担任校长，却没有辞去金属研究所所长职务，该所是本多一手创建的。此刻这里弥漫着失败气氛，因为仙台“金研”一向以日本物理冶金王国自居。一生自负专横的本多，忍不下纪录被超越。他接连发问：“三岛君现在红起来了，是吧？这难道不是我们发明KS钢后，15年来的粗心大意吗？难道我们不应该奋起直追并超过他们吗？”

L：63岁还不算老啊，本多教授的这种反应，应该是很正常的嘛！

H：但是，63岁是该大学教授的退休年龄。当本多很快了解到，三岛的发明也是事出偶然时，立即下决心赶超。他招来弟子增本量和白川勇纪两教授联合攻关。但是，三岛的专利已经对成分选择构成了限制，关键是铝已不能添加，只好用更贵的钛来代替，并一再增加钴含量。在极其不利的条件下，夜以继日紧张研究，本多一天三次来研究室督战。经过两年奋斗，终于在1933年发明了“新KS钢”。性能虽然超过MK钢一点点，却付出了成本大幅度增加的代价。1938年英国的奥利弗在MK钢和新KS钢的基础上，提出了新永磁合金专利，取名为“Alnico”（铝镍钴），性能高而价格廉，成分恰处于MK钢和新KS钢之间。

L：竞争以这样的方式结束，不知本多光太郎会做何感想呢？

H：他应该意识到：“科学无止境，奋斗无穷期，新纪录还会出现的。”新KS钢的发明人上虽然署有本多的名字，但他逢人就解释：“这是增本、白川两君的研究成果，没有我什么事。”不过，直到50年后钕铁硼永磁材料出现为止，日本在永磁材料领域一直领先于世，这也是不争的事实。这里，未尝没有当年战斗般竞争的影子。

1.2.5　铁氧体永磁材料的发明

L：所谓铁氧体不就是氧化铁吗？与天然磁石不是同一物质吗？这也算发明吗？

H：可不能这样说。铁氧体与天然磁石已不可同日而语了。这是日本的又一项关于永磁材料的发明，意义深远。日本人精于算计，他们自知国土狭小，资源匮乏，所以自觉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。虽然20世纪初德、法等国都进行铁氧体研究，但最先公布于世的，却是1933年日本学者加藤与五郎等的发明。铁氧体永磁与我国古代四大发明之一的指南针虽然是同一种物质，却不是同一种材料。或者说，从材料学角度分析，这完全不是一回事。

L：既然是同一种物质，为何又不是同一材料呢？物质与材料究竟差别在哪里？

H：差别就在于：说“物质”时，是不考虑其组织结构的，既然都是氧化铁，那就是同一种物质；但是，讲“材料”时，是考虑组织结构的，磁铁矿与铁氧体的组织形态是完全不同的。所以尽管两者都是氧化铁，却并不是同一种材料。这就如同说碳纤维和石墨是同一种物质“碳”，却不是同一种材料；金刚石与活性炭也是同一种物质“碳”，却不是同一种材料，其道理是一样的。有不同的组织形态，也就有不同的相应性能。这是强调“材料”概念的主要理由。而“物质”与“材料”概念上的这种差别，在任何情况下都是成立的，是普适的。

L：有理。不过“铁氧体材料”的成分，也已经与“天然磁铁矿”不一样了吧？

H：问得好！这确是一个不容忽视的因素。但即使如此，铁氧体材料之所以能够发明，首先是依靠组织因素，其次才是成分调整的作用。而铁氧体之所以具有特殊组织形态是由特殊加工方式造成的。这种特殊加工方式就是一整套“粉末冶金”工艺的问世。其中包括：将氧化铁皮研磨成微细粉末；再经过压力机和模具压制成一定形状；然后再经一定温度烧结等一系列制作过程。烧结中还可以施加磁场，以使细小颗粒沿磁场方向排列成取向有利的微观组织形态，以达到有利于磁性等举措。因此铁氧体产生了远比天然磁铁矿或氧化铁优越得多的磁学性质。

L：那么，1933年日本学者的发明难道不包括组织以外的成分因素吗？

H：包括。东京工业大学加藤与五郎和武井武最先创制出来的是含钴铁氧体永磁材料，称为氧化物永磁体（称OP磁石），包含添加钴的作用。钴添加提高了居里温度。即使如此，仍必须强调新工艺和新组织的作用。1930~1940年代，法国、德国和荷兰等国相继开展了铁氧体研究，其中荷兰菲利浦公司的物理学家斯诺克，在1935年研究出具有优良性能的尖晶石结构含锌软磁铁氧体，并于1946年实现工业生产。1956年又研究出亚铁磁性的Y-Fe-O铁氧体。从此，在世界范围内开启了一个氧化物磁性材料新时代。铁氧体的主要原料是各钢厂的“工业垃圾”——氧化铁皮，所以价格低廉成为其主要优势。因此，铁氧体一直是性价比最好的材料，在永磁材料市场中一直处于第一位，最高时达永磁材料的半壁江山。2012年全球铁氧体永磁产量已达100万吨。

L：原来是这样，那铝镍钴永磁材料呢？它应该处于什么位置啊？

H：当然，如果仅就永磁性能而言，从1930年代到1960年代稀土化合物永磁出现为止，铝镍钴永磁材料一直是第一位的。但如果就性价比而言，铁氧体却一直居于第一位。从可持续发展角度，它的资源再生优势必须高度评价。

1.2.6　永磁材料的持续快速发展

L：为什么永磁材料会持续快速发展呢？有什么特殊原因吗？

H：有。永磁材料的应用与发展是与第二次工业革命电气化同步发展的。1820年丹麦科学家奥斯特发现电流的磁效应，1831年英国科学家法拉第发现电磁感应，迅速推动了工业电气化的发展，同时也推动了物理学界的电磁学研究。1873年英国麦克斯韦建立电磁场理论，特别是1895年荷兰洛伦兹建立电子理论，使磁学研究进入物质微观世界。1895年法国皮埃尔·居里对物质的抗磁性和顺磁性进行了研究，发现了顺磁体磁化率与热力学温度成反正比的居里定律。1907年郎之万和外斯用分子场推出了居里定律，并对铁磁性给予了解释。1936~1948年法国尼尔进一步深化了磁性物理理论。这一切都为永磁材料的快速发展提供了理论背景。不过，电气化需求才是第一位的驱动力。

L：已经又提到了两种新的永磁材料：铝镍钴（Alnico）永磁和铁氧体永磁。按着永磁性能的指标来说，都已经达到了什么样的水平？能按时代给一个定量说明吗？

H：永磁材料的性能可用最大磁能积 (BH)max表示。它是由矫顽力和剩余磁感应强度联合决定的。所以，有时也要说明矫顽力(Hc)和剩余磁感应强度(Br)的大小。因为Alnico永磁和铁氧体永磁，最后都发展成一个十分庞大的材料群体，很难用一组数字精确加以说明。如果用一个数字表示各个年代的水平，只能给出一个梗概：在1916年日本的本多研制KS钢的时代，材料相对简单，最大磁能积(BH)max约为8千焦/米3；1931年德国的凯斯特（W. Köster）将KS刚加以调整和改进，称作凯斯特合金，(BH)max可达12千焦/米3；1931年，令本多十分震惊的三岛德七的MK钢，(BH)max可以达到15千焦/米3；1933年，加藤与五郎的加钴铁氧体，(BH)max约为8千焦/米3，就是说用氧化铁皮作原料，已达到了当年KS钢的水平，所以引起全世界的关注；1933年本多率领弟子千辛万苦研制的Fe-Co-Ni-Ti新KS钢，达到 (BH)max≈16千焦/米3。1938年英国奥利弗在MK钢和新KS钢的基础上，研制出的铝镍钴（Alnico）永磁合金，达到了(BH)max≈40千焦/米3的水平。

L：那么，后来经改进的Alnico永磁和铁氧体永磁，能达到怎样的水平呢？

H：现在，Alnico永磁早已不是主流永磁材料了，铁氧体永磁也主要是在性价比上能展示其优势。如果说它们在1970年代曾达到的最高水平，则是：Alnico永磁的(BH)max≈80kJ/m3；钡铁氧体六方永磁的(BH)max≈32千焦/米3。

L：永磁材料的进步确实是很惊人的。所谓可变性永磁合金是什么意思啊？

H：还记得“永磁材料”即“硬磁材料”的故事吧。后来弄清了“硬”与永磁性能的关系，主要是对矫顽力的影响。而硬材料又总是与“不能变形”或“难变形”相联系。所以德国科学家纽曼和丹尼尔在1937年和1938年相继开发的永磁合金是极不寻常的。这些合金把永磁性能与塑性变形能力结合在一起。Cunife的(BH)max高达14千焦/米3；Cunico的(BH)max也能达到8千焦/米3。同时可以自由塑性变形，有人甚至用“变形糖人”来形容。这种兼有永磁特性和塑性的特点，是合金的“超细相分离组织”赋予的。还有两种永磁材料值得一提：一是1936年德国科学家杰林豪斯（A. Jellinghaus）研制出的PtCo合金，(BH)max高达96千焦/米3，超过Alnico永磁，极易塑性变形，抗腐蚀能力极强，可称永磁材料的王者。当然，价格也是王者，实际用途有限。另一是1971年日本学者金子秀夫等研发的FeCrCo永磁合金，因可塑性变形、节约Co和最大磁能积与Alnico相当，引起世界瞩目，问题是工艺稳定性不如Alnico永磁。

1.2.7　最早的软磁材料

L：软磁材料在电力工业上的应用是不是比永磁材料更早啊？

H：是的。只是因为很早就有了天然磁石，才先介绍了永磁材料。软磁材料虽然没有天然材料，但是，却有现成的材料。在法拉第的电磁感应发现之前，1820年奥斯特已经发现电流可以引起磁场，人们就已经在考虑如何应用这一现象。1825年，英国学者威廉·斯特金将通有电流的金属线缠绕在绝缘包裹的铁棒上，发明了电磁铁。斯特金的发明还只是个实验模型。证明了线圈中的铁芯是一种特殊介质，可以造成比空心线圈强得多的磁场，未必已经开始设想后来的用途。但是，1930年美国科学家约瑟·亨利的发明对实用的思考是非常明显的。他在设想如何吸引更大的重量。

L：那么，他们已经思考了线圈中的铁芯材料会对这个发明有什么影响吗？

H：最初还谈不上。这个时期对磁学性质的认识还比较单纯，只注意到铁芯是一种可以使磁场强度（严格说是磁感强度）大为增加的介质。此外也可能注意到：一旦电流停止，铁芯的磁性也就消失，这是最初对铁芯的基本认识。但是，在多次的实验研究中，对铁芯材料本身的认识也在增进。其中最主要的一点是：铁芯材料在常温下（注意：不是在高温下）经过反复锻打后，当在线圈中被磁化时，会造成很强的磁性；电流停止后，铁芯仍会残余一定的磁性。而且注意到：锻打的程度越高，铁芯的硬度会越高，残留的磁性也越大。锻打后硬度提高的现象被称作加工硬化。加工硬化现象被用来制作永磁材料，即天然磁石时代结束后的第一批永磁材料。

L：您是说，当时的铁芯材料曾有过既是软磁材料又是永磁材料的“两性”历史？

H：是这样。这里有必要说明一下欧洲冶铁业与中国的差别。欧洲大约比中国晚20个世纪，在16世纪才有了高炉炼铁业，生产生铁。欧洲使用的铁，主要是用公元前12世纪由西亚传入的块炼铁技术。这一技术在瑞典获得了不断的进步，开始小批量生产贵重的金属铁。在18世纪后期的1783年，由英国伟大冶金工程师考特发明了利用液态生铁和铁矿石生产可锻铁的技术，也称熟铁技术，可以大规模生产铁，以满足各种机器制造的需要。卡尔·马克思从经济学家的视角，给予这项发明以极高评价：“不管怎样赞许，也不会夸大这一革新的重要意义。”这种可锻铁含碳很低，近乎纯铁。但因为未经全液态熔制，所以，非金属夹杂物很多。如果反复在常温锻打，铁中夹杂物会粉碎，还会产生大量缺陷和应力。这些都会提高铁的矫顽力，可以充当永磁材料；如果经过成形需要的锻打后，再施以充分的退火，则除夹杂物外各种缺陷都会消除，硬度因之下降，这时的铁又会具备充当软磁材料的条件。所以称当时的可锻铁为两性材料也很恰当。

L：用可锻铁来充当软磁材料，一直持续了很多年吗？

H：不长，也就20~30年吧。1856年贝塞麦发明了转炉炼钢技术。转炉钢经过全液态熔炼，材料的纯净度提高，夹杂物含量大幅度降低。这时的低碳钢和工业纯铁作为廉价材料，大批量问世。特别是工业纯铁，含碳量极低。这些特点都是非常适合用作软磁材料的。这时期也开发了高碳合金钢，虽然是工具材料，而不是专用永磁材料，但与加工硬化可锻铁相比，是更适用的永磁材料。1870年代以后，以工业纯铁和高碳合金钢为代表的软磁材料和永磁材料有了明确的分工。具有“两性”特征的可锻铁作为早期磁性材料的起始点纪念物倒是非常合适的。

1.2.8　软磁材料的升级

L：软磁材料也像永磁材料那样，不断快速升级、更新换代吗？

H：是的，但两种材料的差别是很大的。如前节所述，虽然从19世纪早期的电气化革命开始阶段，永磁材料和软磁材料都是发源于“可锻铁”，但是，到19世纪末期以后，两者迅速更新换代，不断升级，也终于分道扬镳，差别越来越大，两者的共性也越来越少。永磁材料只在19世纪早期，进入过基础电力工业，充当过发电机材料，后来主要是在电器信息检测、自动控制、电子通信、计算机、电动汽车、航空航天等工业部门发挥作用。而软磁材料却从一开始直到现在，都是基础电力工业的主体材料，如变压器、发电机、电动机的铁芯材料等。除此之外，软磁材料也很快进入了信息检测、自动控制、电子通信、计算机等工业部门。软磁材料发展成为无论在产量上，还是在种类上，都是功能材料中规模最大的一个品类。例如，2006年全球仅冷轧硅钢片一项，产量就已达到了1255万吨。这在功能材料中是稳居第一位的。这一产量即使与结构钢中的某一大品类（如不锈钢）相比，也是同一量级的。

L：那么，这第一个专用的软磁材料是在何时，由谁发明的呢？

H：这位发明人作为冶金、材料学家是鼎鼎大名的，他也是哈德菲尔德钢（中文名锰13）的发明人，英国的罗伯特·哈德菲尔德爵士。这位爵士出生于谢菲尔德的一个钢铁世家，1882年起系统研究Si和Mn在钢中的作用。1883年他研究的高锰钢取得了专利，奠定了其合金钢领域创始者的地位。1886年，哈德菲尔德关于含4%Si钢各项性能的研究取得了专利。与工业纯铁相比，4%Si钢具有固态下无相变、电阻高、矫顽力低等适合制作大尺寸软磁材料的优点。哈德菲尔德于1900年正式公布了他发明的不同Si含量的硅钢片，成为第一个专用软磁材料，比第一个专用永磁材料早了16年。主要用途是制作发电机、电动机定子、转子以及变压器的铁芯。100多年来，虽然硅钢片制作技术不断提高，不断进步，但是作为材料基本成分的Fe-Si合金，以及Si含量为2.0%~4.0%的成分范围，却是一直没有变化的。令人感兴趣的还有一点：1883年哈德菲尔德发明的锰13耐磨无磁钢也沿用至今，成分也没有变更过。

L：那么，您怎样解释这一现象呢？难道是哈德菲尔德真的有先见之明吗？

H：我想，哈德菲尔德扎实的基础研究是一个重要因素，但是，这里并不存在百年之久的“先见之明”。哈氏是第一代合金钢研究者。这些研究者手中都掌握一种1860年前后完善起来的武器——“坩埚熔炼炉”，可以熔制20千克左右的合金钢，加上成分性能分析。这一武器不可小觑。在此武器之前50年，坩埚钢还属于神秘的“乌兹钢”，不仅价比黄金，而且工艺神秘，只有谢菲尔德的少数工匠世代相传。哈德菲尔德等在这一时期的研究，是按1820年代法拉第的方法，全面、大量地探讨了碳、镍、铬、硅、锰、钨、钼、钒等在钢中的作用。因此，能够流传下来的少数钢种，只是从没被提起的大量研究结果中的幸运者，仅此而已。另外，也有些偶然因素，如：哈氏当时着迷于探讨Mn的脆化作用，可当时没有低碳锰铁。锰铁含碳都高，所以当哈氏把Mn添加到13%时，碳也进去了1%以上。结果在碳与锰的联合作用下，奥氏体（fcc结构）居然被降到室温，并含有大量碳化物，该组织具有极强的耐磨性，于是成就了沿用至今的耐磨钢。硅钢也有特殊成因：含4%Si是不得已的选择，Si再多软磁性能更好，但太脆，制不成板材。总之，没有先知先觉，好钢种是大量实践的筛选结果。

1.2.9　精密软磁材料的发明

L：什么是精密软磁材料？精密是指尺寸精度，还是别的？

H：并非指尺寸精度。大体上是相对于硅钢片而形成的概念。前节讲过，硅钢片产量以千万吨计，是大工业材料。但是，从19世纪末起，也开始出现极精密的机械，需要精密的小电机、小变压器，要求更高性能的磁芯材料。另外还出现了电子通信、自动控制等方面使用精细磁性材料的要求。这种材料的需求量不再是百、千吨量级，而可能只是千克量级的。于是产生了一个“精密材料”的概念，这个精密是指对材料的性能要求更高、更准确、更精致；主要不是指几何尺寸，而是生产方式。

L：就是说，软磁材料已经有了两个领域，一是硅钢片，一是精密合金，是吗？

H：正是这个意思，这两个领域越到后来分别越清楚，当然精密合金不仅涉及软磁材料，也包括同时兴起的永磁材料等其他性能要求更精致的合金。1914年美国贝尔实验室的科学家埃尔曼发现，含镍量为78%的镍铁合金在弱磁场下具有良好的软磁特性。如图所示，其磁滞回线与硅钢片显著不同。命名为坡莫合金（permalloy），意为“透磁合金”，是指在加不大的磁场时，就能穿透“磁障”进入磁性状态，术语叫“透磁率”或“磁导率”高。坡莫合金的磁滞回线瘦而高，表明很小的磁场H就能达到很高的磁感强度B；而硅钢片要更高的磁场H，才能达到同样的磁感强度B，即透磁率低。磁滞回线对比还说明，坡莫合金的矫顽力也比硅钢片低得多。由此可知，坡莫合金是比硅钢片性能好得多的软磁材料。但由于价格很高，只能用于音频变压器、互感器、磁放大器、磁调制器、音频磁头等。它后来发展成软磁材料中类型最多，品种和用途最广，具有代表性的一大类材料。

L：此后，精密合金中的软磁材料又有了怎样的进步呢？

H：这里介绍一下日本东北大学的情况。1936年本多光太郎的弟子增本量等开发出Fe-Si-Al软磁合金，因为太脆，已经难以制成块体或者薄片。只能制成粉末，再利用粉末冶金方法制成所需要的形状，所以也称为仙台粉（Sendust）。磁导率可以远远超过坡莫合金，是知名度很高的精密软磁材料，继续维持着仙台和东北大学在磁性材料研究方面的辉煌史。直到1970年代，东北大学金子秀夫等开发了有塑性变形能力的FeCrCo永磁合金，1980年代初东北大学物理学家高桥实在Nd-Fe-B永磁方面进行的重要探索，一直延续着磁性材料研究的优良传统。

L：前面介绍了铁氧体永磁材料的初创，铁氧体软磁材料后来的进展如何？

H：早在1935年荷兰菲利浦实验室物理学家斯诺克就已研究出各种具有优良性能的尖晶石结构含锌软磁铁氧体，并于1946年实现了工业化生产。到1950年代，法国物理学家尼尔和德国物理学家拜尔陶特等对于铁氧体的理论问题，做了深入研究。这时期还开发出了亚铁磁性的Y3Fe5O12等铁氧体。由于这类磁性化合物的晶体结构与天然矿物石榴石相同，故也称为石榴石结构铁氧体。铁氧体软磁材料在较弱的磁场下，易磁化也易退磁，剩磁极小或没有，所以可以在低磁场、高频电流条件下发挥重要作用。其中Mn-Zn铁氧体的产量和用量最大，这种铁氧体的电阻率低，一般在中等以下频率使用。主要用作各种电感元件，如滤波器磁芯、变压器磁芯、无线电磁芯，以及磁带录音和录像磁头，其磁导率可超过坡莫合金。另外，它还具有十分突出的价格和资源优势。以Fe2O3为主成分的亚铁磁性铁氧体，也是采用粉末冶金方法生产的磁性材料。

1.2.10　磁致伸缩材料

L：为什么是焦耳发现磁致伸缩？他不是研究热力学的吗？很有跨越感啊！

H： 1842年，鸦片战争之后的第2年，焦耳发现磁致伸缩。那时的科学家总是盯着科学问题。1820年法拉第还在关心如何提高钢的抗腐蚀性，1831年前他却发现了电磁感应定律，掀起了电气化的最大风暴。焦耳正是在1843年确定了热功当量，而且正是受了电流热效应的启发，才进入了热力学。焦耳自幼跟着父亲学习酿酒，没有受过正规教育。青年时期经人介绍，焦耳认识了著名化学家道尔顿。道尔顿给予焦耳以热情教导，教了他数学、哲学和化学知识，更重要的是，道尔顿教给了焦耳以理论结合实践的治学方法，激发了焦耳对科学问题的兴趣。19世纪中期是科学家自由发挥的时代，由他观察到磁致伸缩现象是毫不奇怪的。1842年詹姆斯·焦耳在观察铁样品磁化时发现了磁致伸缩现象。

L：那么，焦耳顺着他的发现继续研究下去了吗？

H：没有。当时他还是个不为人知的乡下青年。焦耳在1839年就注意了电流引起发热的现象，他还在1840年写出论文，定量论证了电流的热效应，写出了公式，论文刊载在由电磁铁发明人斯特金所办的《电学年鉴》上。虽然焦耳是想让英国皇家学会大吃一惊的，但很遗憾，论文并没有引起人们的注意。还是稍后，1842年俄国科学家楞次的研究发表后，人们才回忆起焦耳的论文。由于焦耳发表在先，所以该定律才被称为“焦耳-楞次定律”。但是，从此斯特金与焦耳成了忘年交。焦耳得以在斯特金的带领下参加曼彻斯特的各种学术活动，或发表演讲。

L：您是说焦耳对电的兴趣更大，并没有继续关注磁致伸缩现象的研究？

H：是的。那是个电力乍兴的时代。另外，当时的人与现代人对焦耳的感受会有很大差别，这是常见的历史人物历史评价差异。由于能量使用“焦耳”的单位，热功当量密切联系着能量守恒定律，再加上焦耳-楞次定律、磁致伸缩、焦耳-汤姆孙效应等等，现代人会把焦耳看成圣人般的存在。但在当时，焦耳其实并没有很大的影响。就在1843年他在英国《哲学杂志》发表论文《关于电磁的热效应和热的功值》，定量证实能量守恒时，人们也并没有很强烈的反响。很多人根本不相信：不同性质的能量之间会发生转化。焦耳把大家的不相信归因于实验还不够精确。他不断改进实验方法，更换测定介质：利用过水、鲸鱼油、水银等等。到1878年，近40年中，他做了400多次各种介质的实验，测得热功当量的数值为423.9千克·米/千卡。而磁致伸缩是由原子的磁有序排列和无序排列的转换所造成的宏观尺寸变化，这一变化也将伴随电磁能与机械能之间的转换。这是焦耳当时还无法预料得到的。

L：焦耳真是太执着了，就冲着这种精神，把他看作圣人也是没错的。

H：焦耳没有再去做磁致伸缩研究，是因为那是个极小的量值，伸缩系数约为10-5。一时看不到应用价值，理论上的解释也在19世纪中期难以做到。直到一个世纪后的1940年，人们才利用镍及其合金在交变电流的磁场下所发生的磁致伸缩响应，制作了超声波发生器。这种应用具有机电耦合系数高、价格低廉、性能良好、响应速度快等优点。有人说磁致伸缩的响应速度，会高于人的思维速度，还没看到进一步的说明。但是，1858年威德曼效应的发现确实促进了磁致伸缩效应的应用。特别是1960年代巨磁致伸缩现象的发现，使磁致伸缩材料成为一种重要的智能材料，这些在下章还要介绍。

1.2.11　因瓦合金发明获诺贝尔奖

L：为什么把获得诺贝尔奖作为该节的标题？与诺奖有关的材料不是很多吗？

H：是很多。但是，为一项材料的研制成功而授奖，是设立诺贝尔物理学奖以来唯一的一次，所以特别把这个材料的获奖设为标题。2000年，日本筑波大学的白川英树、美国加利福尼亚大学的艾伦·黑格和美国宾夕法尼亚大学的艾伦·麦克迪阿密因为“聚合物导电的发现和发展”而获得该年度诺贝尔化学奖，与纪尧姆获奖有某些程度的相似，但其实还是有重大差别的。1920年，使纪尧姆获奖的因瓦合金只是一种对保证计量稳定性有重要意义的具体合金；而白川英树等的成果是对原本只有绝缘性的塑料在导电性质方面的大幅度明显拓展，将要涉及许多材料的开发。

L：纪尧姆是位物理学家，是什么动力使他也研发起材料了呢？

H：19世纪后期是一个重视材料发明的时代，物理学者加入发明大军，是很正常的。夏尔·纪尧姆出生在瑞士的著名钟表制造城弗勒里尔，父亲是一位钟表制造工程师。1882年纪尧姆在苏黎世理工大学获得了博士学位，然后进入当时设于巴黎附近的国际度量衡局。1890年，该局开始寻找一种廉价材料，以代替制造“标准米棒”的铂铱合金。于是，纪尧姆对铁镍合金进行了系统研究，首先发现了一种含24%Ni和2%Cr的铁基合金，这种合金的塑性比纯铁还要好。后来，终于在1896年发现了一种含镍35.6％的合金，它的膨胀系数远低于当时已知的任何一种金属，只有铁的1/10左右。而且经过适当加工处理后，还可以使其膨胀系数接近于零，因而把它称作“因瓦合金”（Invar），意思是体积保持不变。与此同时，纪尧姆还发现了一种恒弹性钢，这是一种镍铬合金钢，它的弹性在很宽的温度范围内保持不变，被称作“艾林瓦合金”（Elinvar）。就是说，纪尧姆任职于国际度量衡局，这项发明属于他的本职工作。

L：纪尧姆的故乡是瑞士，他一定会想到把这种合金应用在钟表上吧？

H：是的！因瓦合金发明后，纪尧姆立刻意识到这种合金在精密仪器制造中会有特殊意义。1897年他把这种合金应用于制造标准钟表，以用来校正普通手表。他还制成了因瓦合金计量棒，用于大地测量。 后来，因瓦合金一直被用在要求线度稳定性高的地方，例如精密仪表、地震蠕变规、电视阴影面具、摩托阀、防磁表、高精度土地测量的高度水平杆等方面。

L：不过，诺贝尔物理学奖一直被认为是基础研究的最高成就。1920年诺贝尔物理学奖发给纪尧姆，固然是材料研究的光荣，是不是也说明这几年基础物理缺乏突出成果啊？

H：不，恰恰相反！这些年是现代物理研究成果的活跃期。但是，也正是瑞典皇家科学院诺贝尔物理学奖评选委员会，为能否颁发给爱因斯坦诺贝尔物理学奖而弄得焦头烂额的时候。1910～1921年的12年中, 除1911 年和1915年外，爱因斯坦每年都被提名为诺贝尔物理学奖的候选人。但是支持者和反对者形成了尖锐的对立，反对者总是以爱因斯坦的“狭义相对论”缺乏证据为理由加以否定，其中最典型的是瑞士的眼科医生古尔斯兰德，1911年诺贝尔生理学或医学奖得主。他一直是物理学奖评委，还一度担任物理学奖评委会主席。古尔斯兰德当时称：把猜想者放在授奖考虑之列，是极不可取的。到1921年双方的对立竟致诺贝尔物理学奖不能颁发的程度。1920年颁发给纪尧姆及因瓦合金，正是反映了评选者们当时的价值取向：对准确物理量测定的高度重视，对实证研究的特别垂青。