磁性材料在信息产业中的地位与作用

摘要：本文综述磁性材料的发展及其在电子计算机、办公自动化机、通信设备、音像设备等几种主要信息产品中的应用与作用，证明磁性材料是一类极为重要的信息功能材料，是支撑现代信息产业的基础物质。
关健词：磁性材料；铁氧体；磁记录介质；磁头；磁光盘；磁传感器；电感元件；EMI元件；微波/毫米波铁氧体材料与器件；磁光非互易器件

1 历史地位与作用
电和磁是大自然现象中的一对孪生兄弟，形影不离。在人类未认识它们之前，总把它们或当作可怕的妖魔鬼怪，或敬之为天神。在认识了它们的规律之后，便利用它们为人类社会的进步和文明做出了不可磨灭的贡献。
说到磁性材料，大家并不陌生。早在古代，人类就发现了磁石吸铁现象，发明了指南针；用天然磁石治疗疾病，检查入宫兵器。这些就是磁性材料在传感器和磁疗中应用的皱型。后来，用人工方法制成了软铁（软磁材料）和碳钢（永磁材料）。19世纪法拉第等科学家揭示出电磁感应现象后，使用软铁和碳钢完成了一系列人类历史上的重大发现：发电机、电动机、电极、电话、电灯、电气机车、电力起重机、把人类带到了电气时代。20世纪，磁性材料与电子管、半导体结合，电子计算机、无线电广播、电影、电视、雷达、微波通信、卫星通信、无线电导航等纷纷问世，……今天、人类已步入高度电子信息化时代。
谁都会承认，没有电就没有人类历史上的第二次、第三次技术革命，就没有今天的工厂自动化、办公自动化、家庭生活电气化和国防现代化。同时，我们还应当指出，没有磁就没有电，没有磁性材料就没有电力工业和电子工业，也没有今天的信息产业。正是用半导体和磁性材料这两块基石和砖瓦，才构筑成了今天的这座电子信息大厦。

2、传统磁性材料的分类
自然界的物质大部分都具有磁性。这里所谈的磁性材料，是指铁磁性材料，即强磁性材料。磁性材料与其他材料的区别是它们对外加磁场特别敏感，把物质放在磁场的空间里，由于磁感应现象，物质将被磁化，形成磁偶极子即磁矩。依其磁滞回线的形状及特点，通常将磁性材料分为下列五种：
（1） 软磁材料
包括工业纯铁、硅钢片、铁镍等合金，和软磁铁氧体，大量用于制造变压器铁芯、发电机和电动机的定子与转子，继电器、电感器磁芯、电磁铁、磁路中的导磁体（磁轭），等等。
（2） 永磁材料
常用的有AlFe、AlNiCo、FeCrCo、稀土钴、钕铁硼等金属永磁材料，和铁氧体永磁体等，用于制造永磁电机、电动扬声器、磁控管和行波等电真空器件、磁电式仪表等。
（3） 矩磁材料
即磁滞回线具有矩形形状的磁性材料，主要用作磁记录和磁存储技术，所以又叫做磁记录/存储材料，大量用作磁记录介质、磁头、电子计算机存储器中的记忆元件及自动控制装置中的控制元件。矩磁铁氧体也用于制造脉冲变压器磁芯。
（4） 旋磁材料
铁氧体在微波中呈现出一系列被称作旋磁效应的现象。利用这些效应可以制造各种微波/毫米波器件，广泛用于卫星和雷达技术中，故又称这种材料为微波铁氧体或微波磁性材料。
（5） 压磁材料
材料被磁化时，其形状和尺寸总要发生弹性变化。这种现象叫做磁致伸缩效应，所以又称这种磁性材料为磁致伸缩材料。它们的用途是制造电声换能器，如超声波发生器，军事和民品中广泛使用的电声换能器。

3高新磁性材料
所谓高新磁性材料，是应高新技术市场的需求而研发出能够满足现代计算机、通信、自动化和智能化机器及相关产品使用要求并能改进和提高其性能的磁性产品，它包括传统磁性材料的改进型和新型功能磁性材料两大类。
近40年来，磁性材料取得了长足的发展。突出表现在传统磁性材料的性能有了显著提高和改进，利用新原理、新效应和新工艺研发的强磁性材料纷纷问世并得到实际应用。
传统磁性材料中用量最大的是软磁铁氧体和永磁铁氧体材料。软磁铁氧体的主要发展方向是：提高磁导率（μ）满足高频通信需求；提高饱和磁通密度（Bs）和降低磁芯损耗，满足开关电源高频化高效率的要求。20世纪80年代，软磁铁氧体磁导率达到的工业生产水平，最高为10000，现已达到18000~20000；Bs分别为350~400mT和提高到1MHz以上。表征永磁铁氧体主要性能指标的参数--最大磁能积（BH）max，最高工业水平由80年代的24KJ/提高到现在的41.6 KJ/（TDK的FB9）；剩磁（Br）由350mT提高到450mT。
新型功能磁性材料，多指"四高"和"四巨"磁性材料，即＞的高磁导率材料，矫顽力（Hc）7.6MA/m的高矫顽力材料，（BH）max＞400KJ/的高磁能积材料，Bs＞2.9T的高饱和磁通密度材料；和△R/R＞50%的巨磁电阻（GMR）效应材料，△Z/Z＞50%的巨磁阻抗（GMI）效应材料，Ok≥2°的巨磁光克尔旋转效应材料，λs＞的巨磁致伸缩材料，还有△R/R》50%的庞磁电阻（CMR）效应材料。这些材料包括采用熔体快淬工艺制得的非晶软磁合金、非晶合金磁光盘介质等，用纳米技术制作的纳米晶软磁合金、金属-非金属纳米晶颗粒膜、多层膜（人工格）等，"永磁王"--钕铁硼系稀土永磁合金，钐铁氮系粘结永磁粉。这些材料的磁性能远远超过了传统磁性材料所能达到的理论极限。例如，永磁铁氧体（BH）max的理论极值是43.2KJ/；粘结永磁铁氧体粉（各向异性）的（BH）max≥24KJ/，而东芝公司的钐系永磁磁粉（各向同性）达到160~180KJ/，Br达到1.07T，He--880KA/m。此外，还有为解决电磁环境恶化和满足军事隐身技术需要的各种磁性电磁波吸收/屏蔽材料，为迅速发展的光通信开发的磁光法拉弟转子材料，等等。上述新型功能磁性材料，不仅适用于传统磁性材料所应用的一切领域，还可以用在后者不能使用的许多新的领域，特别是许多高新技术产品中，为产品性能的改善和提高、小型轻量薄型化做出突出的贡献。

4 在信息产品中的应用
利用磁性材料与磁场、光、电等间的相互作用产生的各种物理效应以及能量与信息间的相互转换，可以完成信息记录/存储、采集、传递、再生、显示、交换等功能，成为信息产品中不可缺少的组成部分。现简单介绍几种主要的应用实例。
4．1信息记录、存储、再生与交换
磁记录技术大概代表着当今世界发展速度最快的高技术领域，成为光记录、电记录多年欲取代而未能代之的信息记录主流技术。磁记录系统的核心由磁记录/存储介质和磁头组成。传统磁记录介质有γ-Fe2O3、CrO2、Co.γ-Fe2O3、NiP、NiPCo等，采用电镀或蒸发、涂布等工艺制成磁带、磁盘、磁鼓、磁卡、用作计算机外存储器、航空航天记录/存储、数据交换系统、录音录像设备，电话、金融、车船票数码识别装置。磁头，多数用高磁导率软磁合金、高Bs软磁铁氧体精加工而成。金属磁粉（MP）、连续薄膜介质和非晶合金磁头的应用，使磁记录密度和系统性能显著提高。例如，硬磁盘每平方英寸的面记录密度每年可提高30%以上。IBM在1990年开发出磁电阻（MR）效应磁头技术，使记录密度增速每年达60%。1998年，该公司的GMR自旋阀磁头实用化，使增速达到100%。1999年夏，IBM、富士通等公司宣布研制出20Gb/ HDD，接着Seagate在因特网上报告了25Gb/的HDD新闻。据专家们猜测，能实现这样高的记录密度，除了用GMR自旋阀磁头外，其介质材料必是含Pt还有足量Cr的多层膜，使Hc值保持在199KA/m（2500Oe）。
目前，正在应用多层膜的GMR效应研制非易失、抗辐射、长寿命的磁电阻随机存储器（MRAM）。预计，21世纪可制出10Gb/存取速度0.5ns的产品。此外，美日科学家还应用纳米制造技术，研制一种全新概念的超高密度磁盘--65Gb/量子磁盘（QMD）。
磁光盘是目前唯一实用化的可擦重写型光盘，用溅射工艺在聚碳酸酯一类盘基上沉积非晶TbFeCo或NdDyFeCo膜制成。标准化产品有5.25″和3.5″两种，2.5″盘也在市售之中。5.25″盘单面记录密度可达1.3Gb/。速率在300Mb/s左右。目前大量用于文献数据库、宇航飞行器和超级计算机中作海量存储器。
4.2 信息采集和转换---磁传感器
传感器是信息产业的前端产品，系信息采集器。信息产业的飞速发展，磁传感器已形成了一个庞大的产品族，应用十分广泛。
磁传感器，即以磁场或磁性介质所具有的各种物理现象为中间量来检测磁场强度、方向、位移、角度、温度、电流等物理量的传感器，由此可见，它们的产品种类十分繁多。其特点是灵敏度高（0.1nT），反应速度快（DC~数kHz），非接触计测。磁传感器可使用超导体（SQUIDs）、半导体（霍尔器件，等）和磁性材料，加永磁体作磁场构成。以前的产品几乎都利用电磁感应原理工作，存在着灵敏度相对较低、体积大等缺点。前述的MR、GMR磁头，则是应用新效应工作的薄膜传感器，可集成化。MR、GMR元件除用作读写磁头外，还用作电流传感器，旋转编码器，数字直尺、录相机精密齿节传感器（分辨率可达15μm），汽车抱死系统（ABS）等。
利用非晶细丝、薄膜和纳米晶合金软磁薄膜的巨磁阻抗效应（GMI），可制成一种兼有超高灵敏度、微尺寸、快响应的传感器。它采用交流检测磁通量，不用线圈，非接触，无磁滞，灵敏度比GMR传感器还高1个数量级。日本佳能电子公司用纳米晶软磁膜开发出长2mm（HS型）和1.8mm（US型）、图形宽30μm的2种GMI传感器产品，用于车辆识别，检测车速和交通流量等。用一个3轴HS-01型传感器，可在X、Y、Z三个方向检测DC~数kHz的交流磁场。
巨磁致伸缩材料（TbDyFe合金）的研制成功，显著提高了普通磁致伸缩和电致伸缩传感器的性能，尺体大大缩小。
4.3 在通信中的应用
在移动通信、微波/毫米波通信、卫星通信、程控交换机、固定电话中，需使用大量的软磁、永磁和微波/毫米波铁氧体元器件、组件、部件，如各种电感器、变压器、射频宽带铁氧体器件、继电器、隔离器、环行器、YIG调谐振荡器与滤波器、开关、调制器，等等。在通信机中，软磁元件的主要作用是：作加感线圈以降低信息衰减，增长有线通信线路；作通信信道滤波器，选择和分离各信道中的信号，防止失真；用作线性宽带交换器和脉冲变压器，在数字通信中分离电位，调节电压并转换频率；用作扼流圈，滤除不需要的高频电流；以因特网为中心的宽带通信，需要用宽带传输变压器作接口耦合、级间隔离等等。微波/毫米波铁氧体器件或组件、分机，在通信机中完成频率、相位、振幅控制，变极化、通道合并、去耦、双工等功能，用量极大，如一个移动基站需使用数10只隔离器；一个天线阵需用数千上万只铁氧体移相器。
通信机的发展趋势是小型轻量化、高频化、多功能集成化，这就需要大量的片式电感元件和微波/毫米波铁氧体器件和集成组件。新型功能磁性材料的开发成功，微磁技术和微组装技术的发展，为磁性元件的片式化、平面化和高频工作奠定了坚实的基础。1996年，日本电感元件的片式化率已达到总量的52%；应用纳米晶磁性薄膜的平面电感器、变压器已经上市，有的产品可在GHz频段稳定地工作。日本手机用微波铁氧体隔离器的尺寸已做到5×5×2mm。美国移动通信用多种表面安装微波/毫米波铁氧体器件，已按工作频率和用途使产品系列化。
WDM和DWDM光纤通信的迅猛发展，需用大量磁光隔离器保护光源，抑制噪声，用磁光环行器分离收/发信号的输入、输出，光色补偿，构成WDM系统中的光分插复用装置；此外，还需使用可调磁光衰减器、增益均衡器等。目前，应用LPE磁性石榴石膜的光纤引出型、在线型磁光隔离器、LD组件产品已经系列化，主要用于1.3~1.55μm波段；磁光环行器、开关、可调衰减器也已上市。正在加紧研发静磁波波导集成磁光器件，如布拉格盒磁光调制器及其组件。
4．4通用磁性元器件
1） 开关电源
开关电源的小型高频化和效率的提高，关健取决于主变压器、扼流圈等磁性元件的性能和小型化、片式化程度。采用溅射、蒸镀等薄膜工艺，做成薄膜磁性元件，则可实现单片电源和薄型换流器。据报道，采用薄膜变压器，用10MHz开关频率，输出功率密度75W/，转换效率可达95%。这里，应当首选兼有高电阻率和高饱和磁通密度的薄膜磁芯材料。
2） 微特电机
从宇宙飞船的翼面驱动、机器人和雷达天线驱动，到计算机硬磁盘驱动、打印机、电动玩具等等，无不用到电动机。电动机和发电机的发展总趋势是永磁化。永磁铁氧体性能的改良，高Hc高（BH）max稀土钴和钕铁硼系永磁体，为电机的高效小型化做出了很大贡献。稀土钴永磁体的高温（＞300℃）稳定性好，主要用作仪表电机，军用和宇航用电动机、电源发电机。高磁能积钕铁硼系永磁体大量被用作硬盘驱动用主轴电机（音圈电动机，VCM），在这方面的用量占其总量的60%以上。用永磁料粉和塑料、橡胶制成的粘结永磁体，具有重量轻、富于柔韧性和可加工性能好等特点，越来越为电机制造厂家看好。日本的高速打印机几乎已塑料化，即使用塑料粘结永磁体的电动机驱动。
3） 电声器件
包括电动扬声器、发声器和送受话器。世界电声器件市场正从传统的消费类产品转向信息化产品，计算机、通信设备和数字化音像设备，其中包括计算机外设、多媒体、个人通信机、HDTV、DVD、网上电视及网络等产品。数字时代给电声行业提出了技术创新这个大课题，高性能永磁材料则是完成这个课题的基础条件。目前正在开发或试生产通信用薄型高性能扬声器，微小型动圈送话器，数字送话器，微小型传声器，数字式传声器，高性能平板扬声器，高抗通信电声器件，宽频带高保真立体声耳机，高功率高可靠扬声器等产品。
4） 抗电磁波干扰（EMI）磁性元件
包括铁氧体、磁粉芯磁环与磁管，磁珠，多孔、双孔磁芯，电磁波吸收磁粉（军用隐身材料），铁氧体、金属磁粉与橡胶复合成的宽带吸收片、磁砖；和EMI/RFI滤波器，扼流圈，电磁测试用各型电波暗室，隔离变压器等产品。
随着开关电源、数字技术的高速发展，计算机、数字无线电、便携电话等大量普及，对这类抗EMI元器件的需求量猛增，以致发展成为一大类系列化产品群，适用频率从kHz毫米波段。其技术发展趋势是采用高新磁性材料和微制造技术，实现EMI滤波器、隔离变压器，扼流圈等产品的片式化、平面化；从薄型、宽频带、多功能考虑，应用LIC和HIC技术发展单片阵列化产品，开发新的宽带薄型吸收体。

5 市场预测
据不完全统计，1998年世界软磁铁氧体的总产量为22万吨，其中，中国产5万吨；预计2000年分别为30万吨和6万吨；到2005年，全世界可达到45万吨，其中，中国将生产15万吨，占全球产量的1/3。1998年世界永磁铁氧体的总产量是47.65万吨，其中烧结永磁体38万吨，粘结96500吨，年增长率分别是6.7%和4.3%；同年中国的总产量是12.7万吨，其中烧结磁体12万吨，粘结7000吨，年增长率分别为20%和10%。这年世界稀土烧结永磁体产量10350吨，粘结1710吨，分别年增长22.4%和19.8%；中国分别产4000吨和150吨，年增长率53.7%和35.1%。按行业专家估算，到2005年，中国永磁铁氧体的产量将达到21万吨，钕铁硼永磁体将达到8000吨。
从以上几个简单的数据看出，磁性材料的发展速度是很高的，其主要动力源于信息产业的高速发展。中国磁性行业的发展尤其令世界著目。目前，全国研制和生产磁性材料及元器件的单位，大大小小近千家，大多集中在沿海一带，其中浙江、广东、江苏等省已成为我国磁性行业的"领头羊"，它们不断提高磁性产品档次，扩大生产规模，拉动全省经济的发展。例如浙江省，2000年磁性产品的销售产值达到创纪录的30亿元以上，约为四川省的10倍。在西部开发中，四川应高度重视磁性产品的研究开发，扩大生产规模。