中国计量院研制标准装置解决永磁材料高温磁性检测难题

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“温度测量范围和性能优于国际同类产品，但价格却只有进口仪器的十分之一”，介绍起自主研制的“硬磁材料高温磁特性标准测量装置”，中国计量科学研究院（以下简称“中国计量院”）工程所副所长林安利研究员很是自豪。林安利团队研制的这个国家标准装置正在为我国永磁材料高温磁性参数测量提供技术支撑。                                                                                                      永磁材料方兴未艾
　　提到“永磁材料”这一名词，您也许觉得有些陌生，但永磁材料的应用已渗透到我们生活的方方面面。汽车、空调、相机、手机、电脑磁盘、打印机驱动头、仪器仪表、医疗设备……等等，永磁材料的应用无处不在。
　　永磁材料，又称“硬磁材料”，是一种经过磁化以后，具有长期保持磁性的材料。其中，稀土永磁材料是已知的综合磁性能最优异的一种。一块火柴盒大小的稀土永磁体可以吸起与一个成年人体重相当的铁物，一块稀土永磁材料的磁性能比同样大小普通磁钢要高出10多倍……，用稀土永磁材料制造的电子器件，效能高，体积小、重量轻；稀土永磁材料在航空航天、新能源、自动化、信息技术等高新技术和国防领域有着广泛深入的应用。
　　然而，永磁材料的磁性能会随着温度的变化而改变较大，并且不同永磁材料的剩磁和内禀矫顽力的温度系数差别也很大，在达到居里温度时，磁性还会消失。这些特性都决定着需要有标准来准确地测量和评价它。
　　在实际应用过程中，永磁材料往往工作于高温环境中，如永磁直驱风力发电机所用的永磁体，内部温度达到150℃，其高温下的磁性能还能满足设计要求吗？核反应堆、航天器高速电机等所用的钐钴磁体的温度超过了300℃、甚至达到500℃，需用的磁体在不同温度下各项磁性能的准确数值又是多少呢？
　　在2005年之前，我国建立的硬磁材料磁特性检定装置，只能基于国际标准方法测量常温下的（闭磁路）磁特性，无法检测高温下的磁特性。高温下的磁特性测量只能依赖进口的商业永磁测量仪，但其闭磁路高温测量能力也只能在220℃以内。而国防和航空航天等领域迫切需求温度测量范围为300℃～500℃，这已超出了主要发达国家计量院的永磁高温测量能力，商业永磁测量仪更是无法达到。
　　自主研制建立一套高温测量能力达到500℃的闭磁路硬磁材料高温磁特性标准测量装置尤为迫切。为此，林安利研究员组建研究团队，从2005年开始开展这方面的研究工作。
　　　　　　　　　　　                        

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自主创新，提升高温测量能力   
　　经过艰难的技术攻关，研究团队解决了闭磁路高温条件下磁场稳定性、线圈常数恒定性、磁场和温度场均匀性等一系列技术难题，并于2009年形成了一套硬磁材料温度特性标准检测装置。


　　林安利介绍说，这个装置由磁化机构、磁场和磁感测量系统、温度控制单元、控制和数据处理单元等4个部分组成，装置的所有模块和功能均自主研制，其技术指标达到：最大磁场1750kA/m；在室温～220℃范围内钕铁硼磁体的剩磁测量不确定度1.0%、内禀矫顽力测量不确定度1.5%；在300℃～500℃范围内钐钴磁体剩磁测量不确定度1.5%、内禀矫顽力测量不确定度3.0%；能够准确测量室温～500℃温度范围内稀土永磁材料不同温度下的退磁曲线以及由此确定的各项磁性参数，并能溯源到国际基本单位。
　　该项目的最为关键的创新点在于“在闭磁路条件下，实现220℃～500℃硬磁材料磁特性准确测量”。不仅可用于钕铁硼磁体，也可用于具有较低温度系数和较高居里温度地SmCo5（钐钴5）、Sm2Co17（钐钴2比17）磁体，而这类磁体往往应用于对温度特性要求严格的国防和航空航天领域。
　　林安利介绍说，根据已知的文献和报道，这一温度测量范围优于主要国家计量院和商业永磁测量仪的永磁高温测量能力，“解决了目前国家标准装置《硬磁材料磁特性检定装置》不能计量高温下永磁体磁特性的问题。”
　　　　　　　　　　                                                     

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    深度应用，满足高温永磁测量需求
　　目前，这一装置及其相关技术已进行了深度推广和应用，为我国永磁器件的性能和可靠性的检验提供技术支持。中国计量院先后研制成室温～220℃和室温～500℃两种温度范围的产品化的检测装置，并广泛开展高温磁性检测工作。2010年至今已完成日常测试任务约600件次，服务领域涉及到电子信息、能源、医疗、交通航空航天、国防科研等领域。
　　据了解，其中的室温～220℃永磁高温测量仪器与进口商用仪器性能相当，而价格却只有进口设备的1/10左右。林安利告诉记者，“目前，我国稀土永磁行业主要企业均已采用这一技术，实现对产品高温性能的质量控制。”
　　我国稀土永磁产量占世界80%以上，有超过200家稀土永磁生产企业。这一装置的使用，不仅为我国企业节省了大量的进口仪器购置费用，还促进了我国稀土永磁制造行业产品质量和产业竞争力的提高。
　　在国防和航空航天领域，中国计量院研制的高温永磁测量装置及其相关技术已被广泛用于稀土永磁材料的检测、设计和研发。如室温～500℃硬磁测量仪，已被中南大学、北京航空航天大学、中科院材料所等单位引进，为我国航空项目所用硬磁材料的研究提供了帮助。中国计量院还与北京钢铁研究总院紧密合作，解决了其在更高温度领域的永磁材料精确测量的难题，也为我国核工业、国防、航天等领域要求具有更高工作温度需求的永磁体研制过程提供准确的温度特性测量服务。
　　此外，依据研究成果，还形成了永磁材料温度测量国家标准和国家计量技术规范各一项等等，正在为我国稀土永磁材料及其应用工业磁性测量标准化和技术水平的提高做出贡献。