最近，华中科技大学火了。
该校材料学院博士合成了可以磁悬浮的LK-99晶体，相信大家也看到了，当磁铁从下方靠近材料时，材料因排斥力竖立了起来。在更换磁极后，靠近该材料，材料依然因斥力而竖起。
这个“小黑点”随着钕铁硼磁体的靠近和远离，不停地倒下或立起，无论S极还是N极都有效，即排斥和磁极无关， 显现出抗磁性。
且不说LK-99是否真的是超导（你多点赞和转发，我后续就写一篇超导文），能够让其悬浮起来，这背后钕铁硼永磁体功不可没。
说起钕铁硼永磁体，不得不说起特斯拉Model S。
埃隆马斯克真是胆大，特斯拉的第一款轿车Model S在举行发布会的时候，他们根本没有组装完成，底盘采用的是奔驰CLS，车身和发动机盖是用钕铁硼磁铁粘在车架上的。
特斯拉在制造前两款全尺寸汽车模型时，他们使用为车辆提供动力。这些电机基于尼古拉特斯拉的原始电机设计，这一出色的设计比稀土磁体的发明早了近100年。
感应电机通过电力产生自己的磁性并推动转子运动，它的运行无需任何类型的永磁体。
感应电机的设计很好，但特斯拉在2017年为 Model 3改用永磁电机是有充分理由的：Model 3是一款较小的汽车，它需要一个较小的电机但仍具有充足的动力。
所以，从Model 3开始，特斯拉就使用钕铁硼电机，因为更省空间，更轻，而且可以产生更大的力。
汽车中磁铁的使用：如空调，刹车系统，驱动电机，油泵等。
其实磁铁除了应用于汽车，还广泛应用于手机扬声器，耳机，振动电机，电磁铁、吹风机、风扇、冰箱、洗衣机等。
磁铁应用于电机，传感器，扬声器等的比例。
磁铁应用于消费电子产品。
磁铁应用于冰箱压缩机电机。
磁铁应用于耳机门铃等。
磁铁应用于电磁铁：通电保持电磁铁和通电释放电磁铁。
那么，磁铁除了钕铁硼，还有哪3大种类？生产流程是怎样的？
本文就来聊聊。
01
磁铁的最大磁能积
广义来看，磁铁共有三种类型：永磁铁，临时磁铁和电磁铁。
磁铁分类及永磁体与电磁体的简单比较。
本文主要讨论永磁铁。
永磁体（PM）会产生，即使存在反向磁场也能维持该磁场。使用永磁体的比不使用永磁体的电机效率更高。目前，所有已知的强磁铁都含有稀土元素，它们是电动汽车和风力涡轮机等的核心部件。由于需求不断增长和供应有限，稀土元素如Nd和Dy已成为关键材料。
永磁体的独特之处在于，一旦生产出来，它无需能量输入即可提供磁通量，因此运营成本为零。相比之下，需要连续电流来产生磁场。
永磁体的显着特征是，即使存在相反的外部磁场，它也能产生并维持磁场。但如果反向磁场的强度足够强，永磁体内的磁畴将跟随反向磁场，导致永磁体消磁。
永磁铁本质上是一种能量存储装置。这种能量在第一次时就被注入其中，如果制造和处理得当，它会无限期地保留在磁铁中。与电池不同，磁铁的能量不会耗尽，并且始终可供使用。这是因为磁铁不会对其周围环境产生网络作用。相反，磁铁利用其能量来吸引或排斥其他磁性物体，从而帮助电能和机械能之间的转换。
磁铁磁场的能量与B和H的乘积成正比（）。当BH的乘积最大，即(BH)max时，在某间隙中产生给定磁场所需的磁体体积最小。(BH)max越高，产生给定所需的磁体体积越小。可以认为(BH)max是磁体材料每单位体积的静磁能。BH单位为兆高斯奥斯特MGOe或者kJ/m3。
在永磁体行业中，最大磁能积表示永磁体的磁能密度，（BH）max是永磁体性能最常用的指标。
商业生产的永磁体最大磁能积发展的历史趋势。
钕磁铁的最大磁能积发展过程，图片来自TDK。
02
永磁铁分类
按照惯例，永磁铁可以分为4种：钕铁硼(NdFeB)，钐钴 (SmCo)，铝镍钴（AlNiCo），陶瓷或铁氧体（Ferrite Magnet）。
永磁铁的4大类型，图片来自Dura Magnetics, Inc.
永磁铁的分类：陶瓷或铁氧体（Ferrite），铝镍钴（Alnico），钐钴 (SmCo)，钕铁硼 (NdFeB)。
其中，钐钴磁铁（SmCo）和钕铁硼磁铁（NdFeB）被称为稀土磁铁，因为钕和钐存在于元素周期表的稀土元素中。
稀土元素位于原子序列57-71。
永磁铁的矫顽力和最大磁能密度参数，可见钕铁硼（NdFeB）是最强的。
按照工艺类型来看，磁铁又可以分为铸造，烧结和粘接磁铁。
磁铁按照工艺类型分类。
永磁和软磁材料的能量密度。来自MANUFACTURE OF MODERN PERMANENT MAGNET MATERIALS，Steve Constantinides，Arnold Magnetic Technologies Corp., Rochester, NY, USA。
03
钕铁硼磁铁
钕铁硼磁铁是目前商业上使用最广泛的永磁材料之一，具有极高的磁能积和磁力。
钕磁铁是最强且最具争议的磁铁，是一种稀土磁铁，因为它们由钕、铁和硼等元素组成。
钕铁硼磁体因其铁含量而容易氧化，耐腐蚀性差，通常需要电镀涂层，例如：镀镍、环氧树脂涂层、聚对二甲苯涂层等。
然而，它们是一种非常高能量密度的产品（高达55MGOe），具有很高的，使用钕铁硼磁体，可以缩小硬盘驱动器和电机及音频设备产品尺寸。
钕磁铁的工作温度为80°C到200°C，但能够在 120°C 以上工作的优质钕磁材料可能会变得非常昂贵。
通常考虑性价比时，钕铁硼磁体是最佳选择。
钕磁铁的物理属性。
钕磁铁等级：N35、ND-35和ND-3512都是相同的“等级”，其能量密度（最大磁能积）为35，内禀矫顽力为 12kOe。12kOe导致磁铁的最高工作温度为80°C。参考网站：
同样地，N45SH、ND-45SH和ND-4520都是同一牌号的钕合金，该符号代表能量密度为45且(Hci)为20kOe，20kOe在等级符号中以“SH”后缀表示，导致磁体的最高工作温度为150°C。
全致密钕磁铁通常通过工艺制造。微米级钕铁硼粉末在惰性气体气氛中生产，然后在钢模具或橡胶模具中压实。橡胶模具四面都被流体压实，称为等静压。钢模具将生产出与最终产品相似的形状，而橡胶模具只会生产大块钕磁铁合金。
组成钕磁铁的各种元素：钕/镨 (PrNd)、铁 (Fe)、硼/铁 (B-Fe) 和镝/铁 (DyFe)。
钕合金的磁性通过在压制工艺之前或期间施加磁场来产生。该施加场赋予钕磁体合金优选的磁化方向。颗粒排列产生各向异性合金，并极大地改善了成品稀土磁体的剩磁(Br)及其他磁特性。
压制后，钕磁铁经过烧结和热处理，直到达到完全致密的状态。模压磁铁被研磨成最终尺寸，但橡胶模具方法生产的磁铁通常成方形，需要在研磨机上切成最终的几何形状。
等静压合金比模压材料具有更高的磁性能，但它可能缺乏均匀性。
钕磁铁的生产流程可以概括为：
1.发现并开采稀土矿石被。
2. 加工和精炼矿石。
3. 添加稀土合金元素至精炼金属中。
4. 熔化（原料）和带材连铸。
5. 氢爆裂。
6. 喷射研磨。
7. 外部磁场下按压。
8. 冷等静压。
9. 烧结。
10. 退火。
11. 机械加工和磨削。
12. 电镀/涂层。
13. 磁化。
14. 包装和运输。
烧结钕铁硼的生产流程，来自宁波韵升。
烧结钕铁硼磁铁生产流程。
04
钐钴磁铁
钐钴（SmCo）是另一种高性能永磁材料，主要由钴和钐组成，是制造成本最高的磁性材料。大部分成本是由于钴含量高和钐合金的脆性。
钐钴磁铁的构成元素。
这种永磁材料具有很高的耐腐蚀性，可以承受高达350°C的高温工作，有时甚至500度。与其他耐温性不强的永磁体类型相比，这使它们具有明显的优势。和钕磁铁一样，钐钴磁铁也需要涂层来防止腐蚀。
最常见永磁材料的工作温度。图片来源：阿诺德磁力技术公司。
这种磁铁类型的缺点是低。钐钴磁铁容易变脆和碎裂。然而，当需要耐温和耐腐蚀时，钐钴磁铁可能是最合适的选择。
NdFeB在较低温度下表现出色，而SmCo在较高温度下表现出色。钕铁硼磁铁是在室温和高达约180摄氏度的情况下最强的永磁体，通过其进行测量。但它们的强度随着温度的升高而迅速下降。当工作温度开始接近180摄氏度时，钐钴磁铁的性能开始优于NdFeB。
钐钴是第二强磁性材料，具有出色的抗退磁能力，广泛用于航空航天业或以性能为优先考虑而成本为次要的工业领域。
在 1970 年代开发的钐钴磁铁比陶瓷和铝镍钴磁铁强，但不如钕磁铁强。钐钴磁铁主要分为两大类，按能量范围划分。第一组Sm1Co5（也称为1-5）的能量积范围在15-22MGOe之间，第二组Sm2Co17(2-17)的范围为22-32MGOe。
钐钴和钕磁铁合金都是粉末金属，它们在强磁场的存在下被压实，然后烧结。
钕铁硼稀土磁体对环境条件具有很强的反应性，而钐钴稀土磁体则具有很强的耐腐蚀性。钐钴稀土磁体可以承受高温而不消磁，而在高于环境室温的情况下使用钕时必须小心。钕铁硼稀土磁体比钐钴稀土磁体脆性更小，并且更容易加工和集成到磁性组件中。这两种合金在加工时都需要金刚石工具、或磨料磨削。参考网站；
钕铁硼磁铁及钐钴磁铁的生产流程，来自Magnet Guide & Tutorial，。
Sm-Co钐钴磁铁的基本工艺步骤，图片来自。
钐钴磁铁的热处理过程。
05
铝镍钴磁铁
铝镍钴磁铁（AlNiCo）：铝镍钴磁铁是一种传统的永磁材料，主要成分是Al、Ni和Co，因此得名。
它是已知最古老的现代商用永磁体之一，由 T. Mishima 于 20 世纪初在日本创立。
尽管它们具有较高的剩磁，但由于易于退磁，它们的能量积(BH)max相对较低。
铝镍钴磁铁通常是通过烧结（很像陶瓷磁铁）或通过铸造制成的。
铝镍钴磁体的典型铸造和烧结工艺。
铝镍钴磁铁铸造生产流程。
铸造铝镍钴可以制成错综复杂的形状，烧结铝镍钴的磁性稍低，但机械特性更好，它们的细晶粒结构导致高度均匀的通量分布和。
铝镍钴的烧结涉及感应熔炼，然后将锭磨成细颗粒、压制、烧结、测试、涂层和磁化。
不同的生产方法会影响磁体性能，烧结提供改进的力学性能，铸造提供更高的能量密度。
烧结铝镍钴磁铁的等级从1.5到5.25MGOe，而铸造磁铁的等级在5.0到9.0MGOe之间。各向异性铝镍钴磁铁允许自定义磁方向，这很有用。
铝镍钴磁铁合金具有较高的最高工作温度和非常好的耐腐蚀性。某些等级的铝镍钴合金可以在500°C以上的温度下工作。广泛应用于麦克风、扬声器、电吉他拾音器、电动机、行波管、霍尔传感器等。
06
陶瓷铁氧体磁铁
陶瓷磁铁也称为铁氧体磁铁，它们含有烧结氧化铁和碳酸钡或碳酸锶等材料。
铁氧体磁铁以其低成本、良好的耐腐蚀性和高达250°C的高温稳定性而闻名。
尽管它们的磁性能与NdFeB磁体相差甚远，但其成本却非常低，这是由于用于制造这种合金的廉价、丰富和非战略性原材料，所以永磁陶瓷磁铁适合大规模生产。
陶瓷磁体可以是各向同性等级，即它们在所有方向上都具有相同的磁性，也可以是各向异性的，这意味着它们在被挤压的方向上被磁化。最强的陶瓷磁体高达3.8MGOe，使其成为最弱的永磁体类型。尽管它们磁性较低，但比其它磁铁更耐退磁。
铁氧体和钕铁硼磁铁的磁力对比示意图。
由于合金的商品性质和西方的高模具成本，世界上大多数陶瓷磁性材料来自中国。
陶瓷磁体具有低能量积，具有良好的耐腐蚀性，通常用于包含低碳钢的组件中，可在中等温度下工作。
制作陶瓷磁铁需要压制和烧结。由于它们可能很脆，如果需要磨削，应使用金刚石砂轮。
总体而言，陶瓷磁铁在磁性强度和成本效益之间取得了平衡，而它们的脆性趋势与其出色的耐腐蚀性相平衡。它们还具有很强的矫顽力，并且抗退磁，使其成为玩具、工艺品和电机等常见应用的经济选择。
稀土磁体可大大改善重量或尺寸，而铁氧体成为对能源密度要求不高应用的更好选择，例如车辆中的电动车窗，座椅、开关、风扇、电器中的鼓风机、一些电动工具、以及电声设备中的扬声器和蜂鸣器等。
铁氧体（陶瓷磁铁）生产流程。
铁氧体磁铁流程图。图片来源。
07
粘结磁铁
粘结磁体材料可以由陶瓷、钕铁硼或钐钴粉末与各种塑料粘合剂结合而成。
它们可以通过注塑成型或压缩粘合成具有成品尺寸的复杂磁铁形状。
粘合磁铁。
常见的粘合剂包括用于刚性粘合磁体的聚酯、热固性环氧树脂和尼龙，以及用于柔性磁体的乙烯基和丁腈橡胶。
使用粘结磁体，可以避免二次加工，这降低了生产成本。然而，由于引入粘合剂材料，粘结磁体的最高工作温度相对较低，热稳定性较差。
粘合磁铁通常用于汽车零件，因为它们适合大批量生产，并且可以以低成本生产复杂形状。
钕铁硼-钴磁复合磁铁（NdFeB/SmCo Composite）是将钕铁硼磁铁和钴磁铁复合在一起形成的，以兼顾两者的优势。可在高温和高磁场条件下提供较高的性能。
烧结和粘接磁铁对比。
粘结磁体的生产过程：(a) 制造粘结磁体片材的压延工艺的加工示意图、原料、产品和设备。(b)注射成型粘结磁体，(c)挤出粘结磁体，(d)压缩粘结磁体。
OK，关于永磁铁的分类及其生产流程和基本应用就先聊到这里。
最后，推荐一个磁力计算工具：
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