站在磁应用技术发展的前沿

党的第十六次代表大会政治报告中指出：“走新型工业化道路，必须发挥科学技术作为第一生产力的重要作用，注重依靠科技进步和提高劳动者素质，改善经济增长质量和效益。加强基础研究和高技术研究，推进关键技术创新和系统集成，实现技术跨越式发展。鼓励科技创新，在关键领域和若干科技发展前沿掌握核心技术和拥有一批自主知识产权”。报告中还强调：“优先发展信息产业，在经济和社会领域广泛应用信息技术”。磁性材料作为一类功能材料，现已被广泛应用于国民经济的各个领域，渗透到人类生活和社会活动的各个方面。磁性产业越来越突显它在各国发展国民经济、建设现代国防中的支柱产业地位。磁应用技术是发展信息产业技术和高新技术的基础。我们学习和贯彻党的“十六大”精神，就是要立志把磁性材料生产大国变成磁性材料强国，站在磁应用技术发展的前沿，掌握核心技术，推进关键技术创新，为全面建设小康社会做贡献。

1 追寻磁性材料应用发展的轨迹
    应用磁学是一门古老而生命力愈益强大的学科，它奠定了电工学、电子学的基础。磁性材料的广泛应用，促进了人类文明和社会进步，推进了电力和电子工业、信息产业的飞跃发展。
    早在公元前，我们的祖先就发现了天然磁石吸铁现象，并用这种磁石发明了指南针，用来检查入宫兵器，航海定向，治疗疾病等。公元1600年，开始人造磁铁——碳钢。后来，法拉第等科学家揭示出电磁感应现象，奠定了应用磁学的理论基础。从此之后，人们使用软铁（软磁材料）和碳钢（永磁材料）完成了一系列的重大发明创造：发电机、电动机，电话，电报，电车，电气铁路，电力起重机，把人类带到了电气时代。
    磁性材料是从20世纪初发展起来的。在这之前，只有电磁性能极低的软铁和碳钢。19世纪末期开展的合金化系统研究，使磁性材料的种类大大增加，电磁性能显著提高。1901年开始使用低损耗硅钢片，解决了电机和变压器长期存在的过热问题，使交流设备得以大力发展，至今这种材料还是电力和电子工业中应用的重要软磁材料。高磁导率和高饱和磁感应强度坡莫合金（Fe-Ni）、坡明德合金（Fe-Co）的开发成功，显著促进了通信业和磁记录的发展。羰基铁等高电阻率磁粉芯的问世，将软磁合金的应用推向了高频段，在无线电技术中被用作加感线圈、滤波线圈、无线高频线圈等，至今仍不失为重要的高稳定性软磁材料。在碳钢中添加少量的钨或者铬、钴，使永磁体的矫顽力和磁能积有所提高。1931年日本三岛发明铝镍铁基沉积硬化型永磁合金，从此结束了使用碳钢的历史。次年又开发出具有划时代意义的铝镍钴永磁合金，从而推动了微波、雷达、电机和电声技术蓬蓬勃勃的发展。
    1946年斯诺克开始的铁氧体材料正式用于无线电工业，把磁性材料推向了第二个重要的发展阶段。铁氧体的出现，大大扩展了磁性材料的门类，拓宽了磁应用领域，除了软磁和永磁两个大类之外，还相继发展了微波铁氧体材料，磁记录/存储材料，建立并推动了功率磁学的发展；把磁应用技术与半导体技术、空间技术、光电技术、核技术、医疗电子技术等相结合与融知，使磁性材料成了今天高科技产业发展的一大支柱。
    近三、四十年，新型高性能磁性材料频频推出。这些材料的应用，给电子元器件和整机结构带来了革命性变化，满足了整机轻薄短小、高性能、多功能的要求，有力地支持了现代信息产业和高新技术产业的大发展，为工业产品和技术装备更新换代打下了坚实的基础。

2 磁性材料及其应用发展的原动力
    磁性材料及其应用是为适应电力和电子工业、信息产业、以及当今的绿色环保、清洁能源、高新技术产业发展的需要而逐渐发展起来的。其发展的原动力可归结为以下几条：
（1）坚实的理论基础研究
    任何一种新材料、新产品的研究发功，都是先期大量艰苦细致的基础研究获得的成果。磁性材料发展的道路，就是从早期对金属的磁电性质与合金的物理化学结构、合金化技术，后来对氧化物的磁性及铁氧体制备工艺，以及近期对稀土合金的磁性、离子代换技术等等进行了大量的探索研究出来的。
（2）工艺技术与装备的创新
    非晶磁性合金、纳米晶软磁和永磁合金、Nb-Fe-B系等粘结永磁料粉，这些新型高性能磁性材料，是采用了新开发的熔体快淬、过淬和快淬退火，氢化-歧化-再结合（HDDR）等全新工艺及其设备制备出来的。没有工艺技术及其装备的创新，就不能够打破传统，获得全新的功能磁性材料，也很难挖掘老材料的极限性能。
（3）军民结合
    磁性材料和器件的先期研发，多数都是以军事应用为目的，例如铝镍钴、钐-钴永磁合金、微波铁氧体、巨磁致伸缩材料，等等。但是，军用产品的品种、规格和数量都十分有限，军用市场一经建成，必须向广阔的民用市场拓展，这样才能真正形成规模经济，形成产业，也才能促进磁性材料及其应用技术的大发展。从1990年开始，磁性材料加速向汽车、计算机、办公自动化、电信行业和家用电器各个应用领域渗透。当时世界经济的复苏，就与磁性材料大量进入这些经济部门有关：而整个经济的增长，又为全球磁性产业出现短期或长期持续的全面发展创造了良好的环境。
（4）严厉的政策法规
    世界能源危机，全球人居环境严重恶化，迫使各国政府和相关国际组织制订出台了相应的节能、环保政策法规和技术标准，有力推动了对高效节能非晶和纳米晶磁性合金、高磁能积Nd-Fe-B系永磁材料、抗电磁波干扰（EMI）磁性材料和元器件等的研发及其应用。例如，美国最初对每辆汽车的耗油量规定每加仑为27.5英里，到2000年要达到每加仑行驶40英里。这就迫使每个汽车制造商去大力开发节油技术与产品，如怎样大幅减轻车体重量，开发节油器等。最终，他们选择了大量使用永磁电动机；选用体轻、容易整体成型的各向同性/异性粘结Nd-Fe-B系永磁体；发展磁性节油器。电动机属高耗电型产品，其耗电量可超过总用电量的52～52%。从节能考虑，日、美等发达国家都颁布了0.75～175kW电动机效率技术标准，对电动机及其使用产品实行登记注册制度，限制不合标准产品上市。于是，电机永磁化，成了今天发展高效节能电动机的总趋势。
（5）发展高新技术方向方针的指引
    发展高新技术，是各国政府的既定方针，其目的是要占领科技战略制高点，以增强综合国力。大力开发与发展新型高性能磁性材料及应用技术，已被各国列入了发展高科技产业计划中的子项目清单。这势必会进一步推动磁性产业的大发展。

3 在磁应用技术发展的前沿
    传统磁性产业在发展国民经济、建设现代国防中已发挥了难以估量的作用。但整个传统产业结构正在优化升级，形成以高新技术产业为先导，基础产业和制造业为支撑，服务业全面发展的产业格局。优先发展信息产业，在经济和社会领域广泛应用信息技术，以信息化带动工业化。在这种形势下，磁性产业结构也将发生大的变革。新型高性能磁性材料将取代低性能高成本的传统磁性材料；在块状磁性元件应用的产品中，将越来越多地使用磁膜、磁丝、磁点阵；在很多应用领域、功能单一的分立型磁性器件会被片式元件、微磁器件、由磁性元件和半导体等集成的单片或多芯片组件（MCM）所代替；一些新型磁性器件——磁电子器件（SV-GMR薄膜磁头和磁场传感器，磁耦合电信号隔离器，磁随机存取存储器，量子磁盘，自旋晶体管），集成磁光非互易器件，新型巨磁致伸缩声纳器件和执行器、传感器，磁冰箱等等正在或即将成为新世纪磁性产业中发展的主流产品。
    在军用和民用市场上，产品结构正在发生质的跃变，尤其是军用产品的变化更为明显。现代和未来的战争已不再是千军万马齐上阵的大炮、坦克、飞机大战，而是高新技术大战，是电子战、信息战、“智能”系统战。高新技术将推动现代武器装备的全面革新，“脱胎换骨”。有人根据近几年世界发生的局部战争统计，海湾战争中微电子化的高新技术武器约占参战装备的10%，波黑战争上升到70%，到科索沃战争已达到了90%左右。目前，各国，尤其是美国三军对武器装备全面彻底的革新，正从两个方面取得重点突破：第一，建立绝对的“信息优势”，包括建立网络化的信息环境——“全球信息网”；第二，发展高效灵巧的新概念武器装备。所谓“新概念武器装备”，就是运用电磁技术改造传统的液压、气动/机械传动动力系统，发射系统，和运用高新技术开发高技术武器，包括电磁脉冲武器，无线电频率武器和高功率微波武器，如微波炸弹等信息战武器。人们梦想的微型无人侦察机和轰炸机，墙头苍蝇、间谍草，纳米卫星等，在阿富汗战场上已初露锋芒；在对伊拉克的作战中，美军让这些新概念武器装备发挥更大的威力。.......
    高新技术产品在民用和工业产品占的比例越来越大，用高新技术改造传统产业已取得明显的成果，这是众人皆知、无可争辩的事实。磁记录是磁应用技术发展的最前沿，技术创新最集中，产品更新最快，最频繁。以1998年正式上市的SV-GMR薄膜磁头为例，目前这种新产品已占据磁记录HDD磁头市场95%的份额，它使HDD面记录密度每年的增速提高到100%以上。这是新型磁电子技术应用的一个典范。磁悬浮技术在交通上的应用——磁悬浮列车，在速度和舒适、安全感方面，为传统交通工具所不及，优势突现；无摩擦磁力轴承将大大改善传动系统，提高电动机效率；使用无线、无源型磁性传感器阵列，可同时测量环境大气压和温度，在环境监测，特别是密闭环境监测中发挥重要作用。各种非接触新型磁传感器将在传统产业改造中独显其能。

4 掌握核心技术 推进关键技术创新
    要把我国从磁性材料生产大国变成磁性材料强国，必须掌握磁应用的核心技术，努力推进关键技术创新，永立磁应用技术发展的潮头。磁应用核心技术，包括新型磁性材料制备与加工技术，器件设计、制造及封装技术，还有检测与试验技术。在材料制备方面，最引人注目、最有可能开发出多功能新型材料的是纳米技术：以薄膜工艺为基础制备的巨磁电阻（GMR）、隧道磁电阻（TMR）人工格（多层膜），巨磁致伸缩薄膜，永磁薄膜，稀释磁性半导体薄膜与人工格；纳米控制庞磁电阻（GMR）、高电阻率颗粒膜，磁生物功能陶瓷材料、剩磁增强型弹性交换耦合复合相纳米永磁材料；纳米磁丝；纳米磁点阵（磁柱，磁丘）。在研制纳米磁性材料的过程中，已经有了许多工艺技术和设备创新，例如脉冲激光沉积（PLD）技术及其设备，高能球磨（机械合金化），动态-氢化-歧化-脱氧-再结合（d-HDDR）工艺及设备，等等。
制造优质磁性器件，首先要采用优化设计技术，它包括材料参数的优化选择，电磁场分布的分析与计算，最佳磁路/电路设计，器件综合性能指标的折衷与优化。目前，普遍采用了仿真模拟和CAD技术。对于片式磁性元件与组件、微磁器件和磁性元件-半导体单片/多片组件，除了用常规半导体集成电路制造技术外，越来越多地运用微电子机械系统（MEMS）制造技术和纳米制造技术，包括用X射线或电子束平版印刷图形或图形阵，用扫描探针显微术制造纳米尺度磁性（丘），用反应离子刻蚀（RIE）转移图形，化学机械抛光或离子研磨抛光，用AFM、MFM、STM等显微技术作为表征和控制纳米尺度的手段等，在制造多芯片组件时，目前用得最多的是低温共烧（LTCC）或共制造技术（CIM）技术。磁性器件和集成组件的封装采用微电子封装技术，这是大势所趋，微组装将成为新一代组装技术。
    产品质量管理，现已采用了闭环管理模式，即从原材料入厂检验到生产过程控制，最终产品的参数检测与环境试验。这里，会涉及到诸多技术和设备问题，特别是在线监控技术设备，综合环试与动态环试技术、设备。

5 结束语
    当我们走进新世纪，正式加入WTO的时候，我国磁性行业的发展正面临着大好的机遇和诸多方面的挑战。只要我们挺身站在磁应用技术发展的前沿，坚持自主创新，坚持市场导向和市场创新，发挥全行业的优势，产、学、研紧密联合，突出重点，集中力量办大事，大力加强技术创新，一定会在不远的将来把我国建成磁性材料强国。■