磁性材料的应用及其发展
Application and Development of Magnetic Materials

1 前言
古时，中国四大发明之一的指南针，标志着在社会文明进步发展过程中，人类发现与应用磁性材料有着久远的历史。人类对电磁现象和理论的发现与认识，随着人类探索和改造自然进程的深入而不断增加和提高。自19世纪以来，磁性材料不断被发现，新型磁性材料不断被开发，应用不不断扩大；电报、电话、电动机械、广播、电视、计算机、雷达、卫星等纷纷进入社会生活。今天，磁性已渗透到国民经济方方面面，广泛用于电力、电子、机械、交通、能源、国防军工等高新技术产业，作为重要的基础功能材料。随着社会进步和科技发展，其应用范围不断扩大、应用领域不断延伸；适应高新技术发展及新兴市场需要的高新磁性材料将不断涌现。磁性材料——这一古老而年轻的材料将在高度电子信息化发展的未来生活中闪出灿烂的光辉。
2 磁性材料的种类及其应用
磁性材料主要分为永磁材料、软磁材料、磁记录/存储材料、压磁材料、旋磁铁氧体材料等几大类，其中永磁材料和软磁材料是世界上用量最大、用途最广的磁性材料。
2.1永磁材料及其应用
永磁材料包括铁氧体永磁、稀土永磁（稀土钴、钕铁硼等）、铝镍钴、铁铬钴、铝铁等材料，其中最常用、用量最大的是铁氧体永磁、钕铁硼稀土永磁。
铁氧体永磁在永磁材料中，尽管综合磁性能较低，但与金属永磁相比，电阻率高，稳定性好，耐环境变化强，原料来源丰富、性能价格比较高、工艺成熟，又不存在氧化问题，故在永磁材料的诸多应用领域，仍是最理想的首选永磁材料。铁氧体永磁自50年代批量生产以来，其发展势头十分迅猛，目前产值约为稀土永磁的1.5倍，预计今后较长一段时间内，它仍将是应用最广、需求量最大的永磁材料。同时，铁氧体永磁及其应用产品还是典型的节能、节材、节汇和出口创汇产品。无论从资源利用角度，还是从能源和应用的角度来看，其发展前景都十分广阔。发展铁氧体永磁对发展中国汽车、摩托车、电子信息等国民经济支柱产业及出口创汇具有重大意义，符合国家产业政策与规划，随着电子信息技术迅速发展，国内外对高性能铁氧体永磁的市场需求越来越大。因此，研究开发和生产高性能铁氧体永磁材料既十分必要，又大有可为。
表1列出永磁材料的应用分类，表2列出永磁材料的主要应用领域，表3列出铁氧体永磁在电子信息工业中的应用。



稀土永磁材料自本世纪六十年代出现以来，发展十分迅速，已连续实现三次突破性进展，尤其是在1983年，日本住友金属公司首次发明了被称为“磁王”的第三代稀土永磁材料——钕铁硼稀土永磁，震动了与永磁材料有关的许多技术领域。由于它具有高的剩磁，高的矫顽力以及高的磁能积，且具有良好的动态回复特性，因而钕铁硼永磁的开发和应用近二十年来得到了超常规的发展。其应用已涉及国民经济的各个领域，特别是在计算机工业、信息工业、汽车工业、核磁共振成像工业、CD-ROM、DVD等音像工业方面有着广泛的应用前景。钕铁硼永磁的开发和应用，已成为一项跨世纪的朝阳工业。粘结钕铁硼永磁是一种新型功能复合材料，它除具有稀土永磁高剩磁、高矫顽力、高磁能积等一系列共有的优良特性外，还具有形状自由度大这一其它永磁材料不具备的独特优点，能制成具有小极矩、多磁极的薄壁、异形磁体，特别是其优异的磁性能和无限多的机械、物理和磁性组合，是其它永磁材料所望尘莫及的，而且其资源丰富，与其它永磁材料相比成本低，有利于广泛推广应用。目前，稀土永磁材料已成为当代新技术的重要物质基础，已在微波通信技术、音像技术、电视工程、仪表技术、计算技术、自动化技术、汽车工业、通讯产业、交通业、石油化工、生物工程及磁医疗与健身器械等领域得到广泛应用。
表4列出中国、日本和欧洲的钕硼磁体的应用及其所占比例。

2.2软磁材料及其应用
软磁材料包括工业用纯铁、硅钢片、铁镍合金、铁硅合金、软磁铁氧体材料等，最常用、用量最大的是软磁铁氧体材料。
软磁铁氧体是一种用途广、产量大、成本低的电子工业及机电工业和功能材料产业的基础材料，是其重要的支柱产品之一，亦是衡量一个国家经济发达程度的标志之一。
软磁铁氧体的发明与实用化，至今已半个多世纪，由于它具有高磁导率、高电阻率、低损耗及陶瓷的耐磨性，因而在电视机的电子束偏转线圈、回扫变压器、收音机扼流圈、中周变压器、电感器、开关电源、通讯设备、滤波器、计算机、电子镇流器等领域得到广泛应用。随着电子技术应用日益广泛，特别是数字电路和开关电源应用的普及，电磁干扰（EMI）的问题日益重要，世界各国对电子仪器及测量设备抗电磁干扰性能提出的标准越来越高，因此以软磁铁氧体为基础的抗EMI磁性元件发展迅速，产品种类繁多，如电磁干扰抑制器、电波吸收材料、倍频器、调制器等，现已成为现代军事电子武器装备、工业和民用电子仪器不可缺少的组成部分。
表5列出软磁铁氧体的主要应用，表6列出中国软磁铁氧体主要应用情况和2000年～2005年市场及预测。


2.3磁记录/存储材料及其应用
磁记录/存储材料又称矩磁材料，其磁滞回线具有矩形形状，主要应用于如磁头、录音录像设备、磁印刷、磁记录、磁复制、数码录制、计算机外存储器记忆元件、自动控制系统控制元件、航空航天记录/存储系统、数据交换系统和电话、金融、车船票数码识虽系统等方面，也可用作制造脉冲变压器的磁芯。
2.4压磁材料及其应用
磁性材料在磁化过程中，几何尺寸与形状发生变化的现象称为磁致伸缩效应，具有这种效应的材料称为压磁材料，也称为磁致伸缩材料。利用压磁材料的磁致伸缩效应可以制成各种磁传感器件，主要应用于电声换能器如超声波发生器等方面。
2.5旋磁铁氧体材料及其应用。
旋磁材料又称微波铁氧体，它是应用于微波频段的一类铁氧体。微波在被磁化了的这类介质中传播时，偏振面会发生旋转，这种现象称为旋磁效应。利用具有旋磁效应的铁氧体材料，可以制造许多互易或非互易的微波铁氧体器件，如隔离器、环行器、振荡器、相移器、滤波器、限幅器、开关、调制器等，广泛应用于雷达、卫星通讯中。
3 磁性材料的发展
科技的进步推动了磁性材料应用的快速发展，随着新技术和新产品的不断开发，以及现代计算机、通信、自动化和智能化系统及其相关产品等高新技术市场的不断发展，磁性材料在传统的、成熟的应用市场持续发展的同时，高新技术产品应用需求不断增加，对磁性材料性能提出了更高的要求，大大刺激了磁性材料向高性能发展，并促进了新型磁性材料的开发。
高新磁性材料即高性能磁性材料和新型磁性材料。目前，在用量最大的传统磁性材料中，高性能磁性材料主要指功率铁氧体为PC40以上、磁导率为10000以上、Bs为5000Gs以上的软磁铁氧体材料和磁能积42GOe以上的钕铁硼稀土永磁，以及Y30-1、Y30-2以上永磁铁氧体材料；新型磁性材料主要指高磁导率（100000以上）、高矫顽力（7.6MA/m以上）、高磁能积（400kJ/m3以上）、高饱和磁通密度（2.0T以上）材料，以及巨磁电阻（GMR）材料、巨磁阻抗（GMI）材料、巨磁光克尔旋转材料、巨磁致伸缩材料以及庞磁电阻材料等。
军事电子技术武器和装备随着现代武器装备系统的发展，对高温（300℃以上）环境下能高效稳定工作的软磁材料和永磁材料需求不断增加，高温磁性材料已经相继开发出来，不仅应用于军事，还广泛应用于民用系统，如航空、航天、宇宙飞行器集成电源、推进发动机内起动器/发电机、磁轴承、航空雷达、卫星雷达和行波管、卫星定位陀螺仪、加速器、反应堆、动量操纵轮、医用器械、便携工具、汽车用传感器和电动机等方面。近年来，对高性能材料及微型系统和微型磁性元器件的需求，积大地促进了纳米磁性材料的开发和应用。如铁基纳米晶软磁性能明显优于同类非晶材料，越来越多地应用于饱和电抗器、共模扼流圈，高频大功率变压器等磁芯材料；日本开发的Fe-M-C纳米晶合金薄膜，可用作VTR、R-DAT的MIG磁头，记录特性优于先前所用的Fe-Si-Al和Co-Nb-Zr合金等非晶薄膜磁头；一种适用于高温工作环境的（Fe，Co）88Zr7B4Cu1铁基纳米晶软磁合金材料已经被开发出来。当前，国外发达国家还研究将纳米磁性材料用于纳米武器、纳米机器人，纳米高密度存储系统，纳米电感，纳米微型电机、纳米执行器，纳米磁场传感器等方面。
目前，国内外科学家正积极开发永磁薄膜电机，能够自己行走、泳动和飞行的微型磁执行机构，使用巨磁致伸缩薄膜的微型传动装置、微型阀、微型泵，利用磁性薄膜或磁性丝的巨磁阻抗效应（GMI）和巨磁电阻（GMR)效应的高灵敏度微型磁敏感元件及磁传感器等。
随着计算机、数字无线电、便携电话等大量普及，开关电源、数字技术高速发展，对抗电磁干扰（EMI）磁性元器件的需求猛增，包括铁氧体磁环与磁管、磁珠、多孔磁芯、双孔磁芯，铁粉芯，电磁波吸收磁粉，金属磁粉与橡胶复合而成的宽带吸收片、磁板、磁砖，EMI/RFI滤波器、扼流圈，电波暗室，隔离变压器等产品。目前在国内外已形成系列化产品，适用频率从毫米波段到数kHz，并利用高新磁性材料和微制造技术，向片式化平面化、薄型化，宽频带、多功能方向发展。
4 结语
磁性材料——这一古老而年轻的功能材料、电子信息工业的基石，其应用遍及机电产品的各个领域，无论是军用、民用，不管是投资类产品还是消费类产品，其市场正不断扩展。从今后发展来看，不仅在传统的应用领域将保持持续发展，而且随着全球电子信息化的高速发展，新的应用和高新磁性材料将不断涌现，微小型磁性元器件、以及特殊环境和特殊用途的磁性元器件将逐渐成为关注的焦点和发展重点，EMI应用范围和领域将更加广阔。随着时代的发展，磁性材料必将在未来的现代化生活中放射出夺目的光彩。■