心系祖国和人民的磁学尖兵——中国科学院杨应昌院士

2015-12-23

杨应昌，中国科学院院士，北京大学物理学院教授。长年致力于研究物质的磁性，以基础研究为先导，结合我国资源特点，在探索新相、发现新效应、开发新材料方面取得一系列研究成果。同时，注重将基础研究成果转化为现实生产力，相继开发了钕铁氮和钐铁氮的产业化技术。承担的“开发高性能钐铁氮各向异性磁粉产业化技术”项目于2014年6月份通过了国家863专家组验收和教育系统科技成果鉴定, 产品性能达到40兆高奥，实现和超过了国家“十二五”期间发展钐铁氮新材料所预期的技术指标。1990年发明“稀土－铁－氮新型稀土永磁材料”；伴随稀土铁氮产业化技术开发，2000年研发成功“多元间隙型永磁材料及其制造磁粉和磁体生产工艺”，并分别在中国、美国、日本、欧洲取得知识产权保护；2006年，钐铁氮各向异性磁粉与磁体的原创性产业化技术开发成果——“各向异性永磁材料及其制造磁粉和磁体的方法”分别获得中国、美国、日本知识产权保护。曾获得1991年和2003年两届国家自然科学二等奖以及国家教育系统科技进步一等奖等多项奖励，在2014年在美国召开的国际稀土永磁材料会议上，被授予杰出成就奖。

从磁学的基础研究入手，探索新材料的源头

杨应昌院士1934年生于北京，1948年刚上初中二年级的时候，就怀着追求光明和真理的志向参加了地下民主青年联盟的活动，在他面前展现出了一个新世界，使他热血沸腾，从那时起他立志要把自己的人生道路与创立和建设新中国的伟大事业联系在一起。1953年他考入北京大学物理系，1956年进入磁学专门化学习。此后无论是赴法国留学深造还是在科研岗位上执着探索，他都把自己看成是一个战士，力争在磁学战线上当一名尖兵。

说起多年来的研究理念和科研路线，杨应昌院士指出，我国有丰富的稀土资源，为了把资源优势转化为经济优势，开发稀土磁性材料具有重要意义。现在稀土永磁材料钕铁硼得到了广泛应用，已经形成了一个强大的产业。但是我国稀土永磁材料产业的发展，受到了国外专利的制约，作为稀土资源大国迫切需要开发具有自主知识产权的新型稀土永磁材料，因此他坚持从磁学的基础研究入手，探索新材料的源头。

“创新就不能简单地跟踪他人的研究成果，要潜下心来，面对所研究的对象去钻研其内在的规律。科学研究是创作，不是临摹，要有明确的物理思想来指导。”杨应昌院士如是说。20世纪70年代初他开始研究稀土合金的磁性，当时国际上正处在开发第一代和第二代稀土永磁材料的时期，磁学界研究的热点是稀土－钴合金（SmCo5和Sm2Co17）。并且从传统的永磁材料来看，钴钢、铝镍钴、铂钴等也都离不开钴。但是我国富稀土而贫钴，杨应昌院士从钐钴合金中得到启发，却没有停留在钐钴合金上，而是另僻蹊径，寻找代钴的磁性材料。他挖掘钐钴合金的物理内涵，进一步分析了在过渡族金属中3d电子的结构，将研究方向聚焦在探索稀土铁合金的新相上。但是如何把铁金属的3d电子和稀土金属的4f电子最佳组合在一个新的晶体框架中，这是一个全新的研究方向。杨应昌院士把现有的二元稀土－铁合金的研究扩展到探索三元稀土－铁合金的新相，在20世纪70年代末，研制成功具有ThMn12型晶体结构的富铁的新相，并且通过中子衍射研究阐明了该相的晶体结构及其成相条件。这一新相兼具了3d和4f电子二者的特性，呈现出高饱和磁化强度，高磁有序转变温度和单轴磁晶各向异性，简称1:12相。杨应昌院士于1980年发表了这一研究结果，至今1:12相合金已发展成为稀土磁性材料中的一个重要系列R（Fe1-xMx）12，其中M ＝ Ti, V, Cr, Mn, Al, Mo ,Si, W…等。到80年代中期，以稀土－铁为基的三元合金成为国内外开发新一代磁性材料的主流，杨应昌研究组的工作被国际同行列入开拓这一领域的先驱行列。

1984年，日本发明了另一种三元稀土铁合金——钕铁硼。由于材料具有磁性高、价格低、易于制造各向异性烧结磁体等特点，钕铁硼发展成为稀土永磁材料的主导产品。但是杨应昌院士没有去重复钕铁硼，而是把钕铁硼作为一个典型，采用中子衍射、穆斯堡尔谱线等手段，研究钕铁硼宏观磁性与微观结构的联系。发现非磁性的硼原子对钕铁硼优异的磁性起了重要的作用，由此获得启发，认识到在适当的晶体结构中非磁性的类金属原子亦可有利地调节合金的磁性。而在周期表中与硼近邻的元素是碳和氮，进而他带领研究人员合成了与钕铁硼同样晶体结构的钕铁碳（Nd2Fe14C），并且合成了不同晶体结构的钐铁碳（Sm2Fe17C）。特别是关于钐铁碳，碳的加入大幅度地提高了钐铁（Sm2Fe17）合金的磁性。这一结果引起了国际同行的关注，从钐铁碳引导至钐铁氮和钕铁氮的诞生，发现了在稀土铁合金中，碳和氮的间隙原子效应，从而在稀土磁性材料中出现了间隙型化合物这一新的成员。德国物理学会在其编写的《新世纪物理学》中综述了新世纪物理学中各学科的研究进展，其中把小的原子硼、碳、氮加入稀土合金中增强磁硬度列为在磁学领域中重要的研究成果之一。由于氮（碳）间隙原子对合金中稀土4f电子晶场作用和铁3d电子能带结构的优化作用，可使合金的饱和磁化强度与居里温度显著增强，并使晶体呈现易磁化轴、易磁化锥、易磁化面等多样化的磁晶各向异性性质，因此杨应昌院士看到稀土铁间隙型化合物不仅能用于开发永磁材料，而且也可以用于开发新型隐身吸波材料，这是一个新的应用方向，并在实验室业已取得可喜的成果。在最近召开的2015年国际磁学会议上，作为特邀报告，杨应昌院士讲述了稀土间隙型化合物在不同方面的最新研发进展。

在很长的一段时间里，杨应昌研究组都是由他和学生们组成的，大家工作在一间20平方米的办公室内，实验室的设备也不齐全。谈起学生,杨应昌院士备感欣慰，他说很多基础研究工作都是学生们实现的，一旦把朝气蓬勃的学子带入正确的研究轨道，他们的才智可以产生令人惊喜的研究成果。钐铁氮就是他的学生在爱尔兰三一大学做出来的；而钕铁氮和镨铁氮的发现以及测定钐铁氮、钕铁氮的晶体结构、测定钕铁氮的磁畴结构、阐明间隙原子效应的理论计算都是他的学生在这20平方米的工作室完成的。

在产业化的逆境中前进

钐铁氮和钕铁氮的内禀磁性可与钕铁硼媲美，甚至更好，如磁晶各向异性、居里温度和抗腐蚀能力都优于钕铁硼。20世纪90年代初期，国内外掀起研究氮化物的热潮，人们曾期望氮化物能够和钕铁硼一样，立即实现产业化。但是诸多的研究表明采用原有的制造工艺，难以制备出高性能氮化物磁粉，研究遇到瓶颈，纷纷下马。面对这一形势，杨应昌院士知难而上，调整了研究方向，从研究自发磁化的基础研究转向制备高性能氮化物磁粉的技术磁化研究。他带领团队在国内外率先成功地观测了氮化物的磁畴结构，研究了氮化物的反磁化机制，在此基础上开发出完全不同于生产钕铁硼磁粉的新工艺，制备出高性能各向异性钕铁氮磁粉，1996年通过科技成果鉴定。此后，他们克服没有场地、没有设备和资金投入的重重困难，因陋就简，借助北京京磁公司和上海跃龙公司的相关设备，使实验规模不断扩大。2004年深圳北大双极公司利用杨应昌研究组所开发的产业化技术建成了钕铁氮磁粉生产线，通过了验收和鉴定。正当双极公司为满足市场需求扩大生产规模的时候，形势突然发生变化。一方面，产品的一些原料价格骤增；另一方面，投资方更换了领导层，致使公司停止经营。但这一巨大挫折没有动摇杨应昌院士实现产业化的决心，他和团队再次开启产业化的新征程，采用新的粉末冶金技术开发了制造高性能钐铁氮各向异性亚微米单晶颗粒磁粉的工艺，在北京恒源谷科技股份有限公司建立了高性能钐铁氮各向异性磁粉与磁体的生产线。 

虽然钐铁氮和钕铁氮同属稀土间隙型化合物，可是它们的晶体结构和化学成分都不相同，在生产工艺的每个环节，都要针对钐铁氮的特点摸索新的规律。杨应昌院士说，在产业化过程中，多年来与其并肩工作的也多是年逾花甲的教授，大家抖擞精神，共同面对新的挑战，身体力行，热心传授，克服一个个的困难，解决生产中的一系列难题。在他们的带领和鼓舞下，北京恒源谷公司成为采用新的粉末冶金技术实现各向异性钐铁氮磁粉的大规模工业化生产的企业。目前北京恒源谷公司开始向市场供应钐铁氮的新产品，相关进展列入了2014年中国十大稀土科技新闻中。

磁粉是磁体之母，恒源谷公司成功生产各向异性钐铁氮磁粉，标志我国在开发稀土各向异性粘结磁体方面占据了制高点，同时也打开了稀土粘结磁体升级换代的大门。当前高性能的柔性磁体和高性能的注射磁体急待开发，恒源谷公司生产的钐铁氮磁粉与现在商用的快淬钕铁硼磁粉比较，磁粉性能高，最大磁能积可达40兆高奥，并且颗粒细、抗腐蚀力强、易于制造柔性磁体和注射磁体，具有广阔的市场前景。现在恒源谷公司正在按照国内外客户的要求开发各类电机中需求的高性能粘结磁体，同时为了建立磁粉-磁体-电机应用产业链，全力打造强大的技术和管理团队。不久前，国家发布了2015年工业转型升级重点项目，其中包括稀土磁性材料及器件，这正是杨应昌院士和他的伙伴们多年以来攻坚的重点。

作为一名在磁学战线上奋斗多年的“尖兵”，杨应昌院士一直积极投身磁学的基础研究以改变我国稀土磁性材料发展严重受制于外国专利的现实，同时不遗余力把基础研究成果转化为现实生产力。他时常和学生们说：“在磁学研究领域，面对美国、日本以及欧洲等科技强国，我们责无旁贷，只有奋发图强，坚持不懈的努力，才能做到有所发现，有所发明，使中华民族屹立于世界之林。”怀着这一使命他在基础研究的道路上潜心探索，在国际稀土永磁材料发展的里程碑上记录下中国符号；也正是这一使命感激励他和团队踏上探索新材料、揭示新效应和开发新工艺的漫漫求索之路，在实施产业化的过程中，不断地迎接新的挑战，实现更高的跨越。