高新软磁材料及其应用
关键词：高新软磁材料；非晶超微晶合金；磁性薄膜材料
1、前 言
随着现代科学技术特别是电子信息业的快速发展，磁性材料的研究与开发正在向着深度和广度两个方面推进。一些新现象、新原理、新技术和新工艺不断涌现出来，并呈现出高新技术的特征，着实成为当代基础工业的一大门类。
从整个磁性材料的发展进程来看，它已从无机向有机、从固态向液态、从宏观向介观、从电子磁有序向核磁矩有序方面演变，呈现出诸多优异的磁性能和综合特性，在现代高新技术中发挥着更加重要的作用。在急速发展的全球信息化中，为满足节能、环保和电子信息设备数字化、多功能、智能化、小型、轻便、灵巧等多种需要，迫切要求研发出具有高频、微型、超薄型、抗EMI/RFI、低功耗、组件化、智能化等优良性能的磁性元器件来，高新磁性材料则是基础与关键，可以说是电子技术革命的一块基石，因此为世界各国特别是发达国家所重视。
本文就高新软磁材料的发展现状和应用作一概述，重点阐述了非晶超微晶合金和磁性薄膜的应用情况。
2、高新软磁材料现状
从现代材料学与技术的四大构成要素—性能、结构和成分、合成和加工、应用来考察，近30年来磁性材料所获得的重大突破则是将磁性理论用以物性剪裁和结构设计、材料合成、微观结构控制，从而获得了性能综合优化的高新磁性材料来。例如mi>105的高磁导率材料，Hc>7.6MA/m的高矫顽力材料，(BH)max>400kJ/m3的高磁能积材料，Ms达到2.9T的高饱和磁化强度材料即谓“四高”磁性材料;DR/Ro>50%的巨磁电阻(GMR)效应材料，DZ/Zo>50%的巨磁阻肮(GMI)效应材料， qh达20的巨磁光克尔旋转特性材料， l6>10-3的巨磁致伸缩效应材料—“四巨”磁性材料;DR/Ro>>50%的庞磁电阻（CMR）效应材料，就是高新磁性材料的最好佐证。
可见，前景光明的全新磁性材料正在研制出来，即存在于微观原子级与宏观之间的中间构造磁性材料具有的特殊性能; 变传统单一功能为多功能的复合功能材料; 由软磁层与硬磁层双重构造使之产业交换能的交换机制磁体，可定获得960KJ/m3。以上的磁能积。
众所周知，磁性材料的性能通常由初始磁化曲线和磁滞回线来表征。磁滞回线可以用剩磁Mr（Br ）、矫顽力He及其矩形比等参数呈现出来，初始磁化曲线遵循所谓的瑞利定律:
当H<Hc时，
M（H）=χoH+αrH2 （1）
式中。co一初始磁化率，ar一瑞利常数。磁性材料的这些特性可由本征磁性能一饱和磁化强度Ms 、各向异性常数Ki 以及材料的微观结构，畴图形及过程来确定。
（2）式描述了增大Hc并提高Ki 的大致趋势:
（2）
式中，a—微观结构参数，meff—受磁畴和微结构影响的有效去磁因子。
由于铁（Fe)、钴(Co)或FeCo合金中每个原子存有较大磁矩，所以它们是所有磁性材料中的基本母体成分。
因此，高新软磁材料的基本特征是: 1）高性能; 2）最佳组成成分和微结构; 3）最先进的制造工艺; 4）在高技术里获得广泛应用。据此，高新磁性材料可以是结晶态、非晶态和纳米晶态的形式存在，当前则以纳米复合功能材料最具典型性。例如1988年日本吉尺克仁等研制的Fe-Cu-Nb-Si-B纳米晶铁基软磁合金（"Finemet"），稍后由铃木等人用溅射热处理Fe-M-C(M=Ti，Zr，Hf，V，Ta，Nb等)制得的纳米晶薄膜磁头材料（"Nanomax"）的实用化，找到了实现高性能软磁材料的途径，现已获得实际应用；纳米晶磁性粒子和磁性薄膜材料正为提高磁记录密度作出了重要努力。本文将在下一节里论述非晶超微晶合金和磁性薄膜的应用。
3、非晶超微晶合金与磁性薄膜材料的应用
3.1非晶超微晶合金
采用每秒100万度的超急冷冷却速度、从钢液到薄带成品一次成型的非晶合金具有与传统工艺制成的合金完全不同的独特性能，被称为冶金工艺的一次革命，非晶软磁合金就是其中的一种。非晶软磁合金大致分为铁基、铁镍基、钴基和铁基超微晶四大类。非晶超微晶软磁合金则是采用非晶超急冷凝固技术，经过处理后获得直径为10-20纳米的微晶而得名。表1为非晶软磁合金典型性能与相关材料的比较。

以前在电力、电子仪器仪表等行业中普通使用的硅钢、坡莫合金、铁氧体和非晶合金软磁材料发挥着重要作用，但它们各有其优缺点，限制了其应用范围。而非晶超微晶由于不存在的磁晶各向异性、晶界即长程有序的原子排列，其电阻率比一般晶态合金高2倍，并且急冷一次形成15~30mm的非晶带。它的综合磁性优异，如mi为10000
0，Bs=1.2T，低的损耗(P0.2/20k=3.4W
/kg），可取代目前市场上所有的软磁材料，广泛用于大功率开关电源、磁放大器、高频变压器、扼流圈、精密互感器等。尤其适宜在高频下作功率输出变压器磁蕊，是至今开关电源主变压器首选材料，图1示出了开关电源中使用的磁性器件。与铁氧体软磁比较，在相同电气规格下，非晶超微晶软磁的体积、功耗减少一半，其温度特性良好。

3.2磁性薄膜材料
磁性薄膜材料系指厚度在几纳米至几微米之间的薄膜材料，从结构上看有单层和多层之分:

从性能上看，有软磁、硬磁、磁光、磁记录等薄膜。它在高频或超高频下具有最好的技术磁性能（表2），因而可作成各类微磁器件，或片式和编织式电感、微型变压器磁芯及集成组件，还可作成高密度磁记录磁头，图2为计算机用各类磁头的产量。从使用和发展角度看是MIG磁头Y薄膜磁头Y磁阻磁头Y巨磁阻磁头，相应的面密度为M150Mb/in2YM600Mb/in2 YN600Mb/in2Y3Gb/in2Y3~20Gb/in2。薄膜磁头已在90年代初产业化，磁阻磁头在90年代产业化，巨磁阻磁头预计在2000年产业化。1998年以来，国外TDK，日立、IBM、富士通、美国西部数字设备集团等公司已建成GMR磁头生产线并投入生产，故商业化的日程即在眼前。


还有一种叫做隧道结膜（TMR）磁头业已横空出世，因为TMR多层膜材料的磁阻变化率可达50%，其灵敏度是GMR膜的7倍，MR膜的25倍，因此TMR磁头的面密度可达到GMR磁头的7倍。
磁性薄膜材料广泛应用的关键是要采用先进的工艺技术特别是集成工艺和超微细加工技术。
4、结束语
高新软磁材料发展前景广阔，抓住纳米磁性材料和磁性薄膜材料这一高技术发展机遇则是推动我国磁性行业上档升级的基础。