磁性材料新技術(shù)發(fā)展趨向
發(fā)表時間：2009-10-31 文章來源：
一、引言
磁性材料是國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域不可缺少的功能材料，不僅滿足了傳統(tǒng)工業(yè)的發(fā)展，并且在科技、電子信息技術(shù)革命中起著重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的創(chuàng)新，磁性材料產(chǎn)品將有什么新的發(fā)展趨向，是否還能有新的產(chǎn)品開拓，是科技工作者和各企業(yè)家們最關(guān)心的問題。在新的經(jīng)濟(jì)形勢驅(qū)使下，磁性材料除在傳統(tǒng)的產(chǎn)品性能和質(zhì)量方面不斷提高外；并必將還有創(chuàng)新的發(fā)展，才能以滿足信息工業(yè)革命的發(fā)展要求。
我們從科技創(chuàng)新的角度簡述磁性材料將會出現(xiàn)的新發(fā)展趨勢，共同研討開拓新材料和新應(yīng)用領(lǐng)域。
二、 磁性微電子技術(shù)
信息技術(shù)將朝著小型化和輕型化發(fā)展，促進(jìn)了元件的集成化和微型化。專家說：“電子元器件過去是插件、現(xiàn)在是貼片、將來是集成”�？梢灶A(yù)見，在磁性行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，將形成一門新的技術(shù)---磁性微電子技術(shù)。用類似半導(dǎo)體集成電路工藝制造磁性微型器件，尺寸僅為幾十微米級。磁性材料采用薄膜，厚度從幾個毫微米到幾個微米。從結(jié)構(gòu)上看，有單層膜，包括一般的晶態(tài)膜、微晶膜、超微晶膜和非晶態(tài)薄膜；還有多層膜以及納米級磁性顆粒彌漫在薄膜中構(gòu)成顆粒膜。從性能和應(yīng)用上可分軟磁、永磁、旋磁、磁光、磁阻、磁存貯和磁致伸縮等。
1、磁性薄膜變壓器。個人電腦和手機(jī)的小型化，必須采用高頻開關(guān)電源，并且工作頻率越來越高，逐步提高到1～2MHz或更高。要想使高頻開關(guān)電源進(jìn)一步向輕薄小方向發(fā)展，立體的三維結(jié)構(gòu)鐵芯已經(jīng)不能滿足要求，只有向低維的平面結(jié)構(gòu)發(fā)展，才能使高度更薄、長度更短、體積更小。幾個微米厚的磁性薄膜，基本上不成形三維立體結(jié)構(gòu)，而是二維平面結(jié)構(gòu)，其物理特性也與原來的立體結(jié)構(gòu)不同，可以獲得前所未有的高性能和綜合性能。例如鈷基的非晶磁性薄膜飽和磁通密度Bs達(dá)到1.5特斯拉，比鈷基的非晶合金高許多。對于高頻下使用的磁性薄膜，主要指標(biāo)是高頻損耗，所以特別要提高電阻率，因為它直接影響高頻下的損耗和有效導(dǎo)磁率。但是，磁性薄膜并不單純追求高電阻率，還要兼顧其它指標(biāo)。軟磁鐵氧體材料雖然電阻率高，但飽和磁通密度Bs低，不適合作數(shù)兆赫以上高頻磁性薄膜集成變壓器和電感器。今后發(fā)展方向是微晶FeMC磁性薄膜，M可以是鈦、鋯、鉻、鈮、鉭，是利用FeMC復(fù)合靶在氬氣中濺射而成非晶磁性薄膜，熱處理后晶化，形成微晶結(jié)構(gòu)。此材料現(xiàn)在主要用作薄膜磁頭，并已經(jīng)用于工作頻率在10MHz左右的移動通信手機(jī)電源中的變壓器。
2、磁性薄膜磁頭。隨著硬盤的紀(jì)錄密度的提高，促進(jìn)了磁頭的薄膜化發(fā)展，同時產(chǎn)生了巨磁阻材料。由于整個磁頭尺寸很小薄膜磁頭的制作工藝是一種集材料與器件于一體的集成電路生產(chǎn)工藝。在實際生產(chǎn)中，無數(shù)磁頭集成在一個單元片中，經(jīng)切割后，組裝成硬盤驅(qū)動器用的高密度磁頭。其中單元片的生產(chǎn)是磁頭的關(guān)鍵工程，也是技術(shù)含量最大的部分。目前國內(nèi)的磁頭生產(chǎn)線大多不包括這部分生產(chǎn)，僅是從切割單元片開始的后工序。
在計算機(jī)磁頭的生產(chǎn)開發(fā)方面，從金屬氣隙磁頭→薄膜磁頭→磁阻磁頭→巨磁阻磁頭發(fā)展，記錄密度也從幾百兆位增加到數(shù)千兆位。除工藝條件外，關(guān)鍵是相應(yīng)的磁性薄膜材料。國外，薄膜磁頭和磁阻磁頭在九十年代已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，巨磁阻磁頭也在2000年產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。國內(nèi)對薄膜磁頭、磁阻磁頭和巨磁阻磁頭的材料僅限于基礎(chǔ)性研究，應(yīng)用開發(fā)和工程技術(shù)開發(fā)則幾乎空白。主要是幾家合資、獨資企業(yè)，利用國外單元片散件，加以切割、粘結(jié)、組裝生產(chǎn)計算機(jī)磁頭。
磁性薄膜在其它方面還可以作數(shù)字錄相機(jī)用視頻疊片薄膜磁頭、微型片狀磁性元件、各種磁性傳感器，這些元件在手機(jī)等小型通訊設(shè)備、掌上電腦、攝錄相機(jī)及工業(yè)自動化設(shè)備中有廣闊的應(yīng)用市場，今后的一個發(fā)展方向。
三、磁光器件
磁光器件主要有光纖通訊用的光無源器件，如光環(huán)行器、光隔離器、光開關(guān)等，以及光存儲用的光存儲介質(zhì)，這將是磁性器件發(fā)展的重點之一。
1、磁光無源器件。隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，微波系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到成熟地步，而光纖通信正在蓬蓬勃勃地發(fā)展�，F(xiàn)在，國外的微波工作者逐漸轉(zhuǎn)向光通信領(lǐng)域；同時，把微波通信中應(yīng)用的磁無源器件也帶到光通信方面，利用磁性材料的磁光效應(yīng)研制光無源器件。根據(jù)光纖通信的技術(shù)要求和磁性材料的本征特性，磁光無源器件的發(fā)展具有廣闊的市場。
在光波寬帶通信中，要把各種光頻回路匹配起來，必須考慮使用光環(huán)行器、隔離器和開關(guān)等器件。因為在光纖通信中，光源受到光纖反射光的影響會引起工作不穩(wěn)定。隨著光回路復(fù)雜化，這種情況會變得更加嚴(yán)重。為實現(xiàn)光源的穩(wěn)定性，與微波領(lǐng)域中采用的措施一樣，使用隔離器是不可避免的。光隔離器能降低反射光影響，從而得到高性能的光傳輸特性。光環(huán)行器是雙向傳輸光路和光測量裝置不可缺少的，尤其是光纖通信的良好匹配元件。在多模光纖裝置中把來自一路通道的信息快速轉(zhuǎn)換到另外幾路通道中，需要光多接點開關(guān)。另外，磁性材料作為光無源器件，具有良好的光特性，如釔鐵石榴石磁性單晶材料在近紅外波段1.55微米具有一個透明的窗口，光吸收損耗極低。我們知道，光的傳輸損耗與通過光纖的光波波長有關(guān)。在1.55～1.58微米波長時，光纖具有較低的光傳輸損耗和較小的光色散，這特性有利于遠(yuǎn)距離和寬帶光纖通信。如目前廣泛使用1.55微米的光波頻率，在此波長時，光傳輸損耗約為每公里0.2分貝，這樣在遠(yuǎn)距離光纖通信中，只需要間距為100~150公里的中繼器。這對磁光無源器件的發(fā)展提供了一個良好的環(huán)境，其特性比機(jī)械、電光器件要好，而且適合于集成化。
磁光無源器件的優(yōu)點是功耗低、結(jié)構(gòu)簡單等；但最主要是能夠薄膜化，適合于集成光學(xué)系統(tǒng)。這一點很重要，因為，把光源、透鏡、棱鏡和非互易光學(xué)元件做成薄膜器件集成在一塊襯底上的集成光學(xué)技術(shù)是今后發(fā)展方向。在集成光學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展的集成磁光學(xué)是應(yīng)用磁性薄膜作為光波導(dǎo)來實現(xiàn)光無源元件，也是磁性薄膜學(xué)的一大重要技術(shù)發(fā)展。
2、磁光存儲器。當(dāng)前只讀和一次刻錄式的光盤已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但是可重復(fù)寫、擦的光盤還沒有商品化推進(jìn)。最具有發(fā)展前途的是磁性材料介質(zhì)的磁光存儲器，其可以像磁盤一樣反復(fù)多次地重復(fù)記錄。目前大量使用的軟磁盤，由于材料介質(zhì)和記錄磁頭的局限性，其存儲密度已經(jīng)達(dá)到極限；另外其已經(jīng)不能滿足信息技術(shù)的發(fā)展要求，無法在一張盤上存儲更多的圖象和數(shù)據(jù)。采用磁光盤存儲，就能在一張盤上記錄數(shù)千兆字節(jié)到數(shù)十千兆字節(jié)的容量，并且能反復(fù)地擦寫使用。
四、磁性抗電磁干擾材料
隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，人們在享受方便、快捷、高效的信息化時代的同時，正面臨著日益惡化的電磁環(huán)境。周圍的空間電磁輻射日趨嚴(yán)重，不僅影響到電子設(shè)備的正常工作，而且影響到人類的正常生活。所以抗電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）材料的發(fā)展引起人們的關(guān)注。由于軟磁鐵氧體材料具有吸收電磁干擾信號，從而達(dá)到抗電磁干擾的目的，受到人們的重視。
1、抗電磁干擾和電磁兼容材料。電磁波輻射和傳導(dǎo)的干擾信號會使高靈敏的電子設(shè)備性能下降、失靈，甚至?xí)l(fā)生故障或事故。在各種電子、電力線路中必須采用各種特性和各種形狀的EMI軟磁鐵氧體磁芯，以滿足抗電磁干擾和電磁兼容的要求。隨著電子設(shè)備向高頻、高速、高組裝密度發(fā)展，各類磁芯向高磁導(dǎo)率、高頻化和小型化發(fā)展。眾所周知，電子設(shè)備接上電源工作時，由于電源的噪聲干擾，等于接上一個噪聲源；同時，電子設(shè)備一旦內(nèi)部產(chǎn)生噪聲，也會向電源發(fā)射電磁干擾信號，影響周圍的電子設(shè)備正常工作。所以必須使用交流電源線路濾波器來抑制外來的電源噪聲，同時防止設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生的干擾噪聲外泄�，F(xiàn)在國際上對電磁干擾和電磁兼容提出更高的要求，禁止無上述功能的電子設(shè)備銷售。各企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)必須對此引起高度重視，同時也是磁性材料產(chǎn)品發(fā)展的良好機(jī)遇。磁性抗電磁干擾產(chǎn)品和電磁兼容產(chǎn)品發(fā)展的方向是寬頻化和薄膜化。由于電源噪聲的頻率存在從低頻到高頻的的寬帶范圍，所以對軟磁鐵氧體材料也要求有較寬的頻率范圍。由于各類電子設(shè)備小型化的發(fā)展，過去傳統(tǒng)的繞線型磁芯器件今天被疊層貼片型磁芯器件取代，將來被集成化器件取代。前者是將導(dǎo)線繞在軟磁鐵氧體磁芯上制成，但體積較大。后者是用軟磁鐵氧體槳料和導(dǎo)體槳料交替疊層厚膜印刷和燒結(jié)而成，實現(xiàn)小型化表面安裝。今后進(jìn)一步的發(fā)展是采用薄膜化工藝，使器件達(dá)到微型化。
2、電磁波吸收材料。鐵氧體材料能吸收和衰減電波的電磁能量，使反射電波減少或消除；并能在超高頻到毫米波頻率范圍內(nèi)工作，而且在頻帶寬度和幾何尺寸方面均有優(yōu)越性，成為電子抗干擾方面的重要研究和應(yīng)用材料。在軍事上，把它涂在飛機(jī)和導(dǎo)彈的表面，是反雷達(dá)的一種有效措施，也是當(dāng)今隱身技術(shù)發(fā)展重點，在電子對抗戰(zhàn)中有著廣闊的應(yīng)用前景。在民用方面，把它涂在通信基地的屋面上和拋物面天線上，能改善通信質(zhì)量；同時也用作微波功率源的屏蔽，防止微波輻射傷害人體。鐵氧體電波吸收材料最重要的應(yīng)用是在軍事方面，把它涂在飛機(jī)和導(dǎo)彈飛行器上，或坦克、軍艦等作戰(zhàn)裝備上，可以衰減電磁波的反射信號，削弱雷達(dá)偵察作用距離，是反雷達(dá)偽裝的一種有效措施。最初人們使用薄片和薄板，影響應(yīng)用范圍和裝備的機(jī)動性，現(xiàn)在使用液體涂料有利于施工和輕型化。隨著新材料的開發(fā)，納米磁性材料的出現(xiàn)將為電磁波吸材料應(yīng)用提供了廣闊的應(yīng)用場合。
五、納米磁性材料
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料的研究和應(yīng)用也不斷進(jìn)展。目前的納米材料研究也深入到磁性材料領(lǐng)域，開發(fā)出新的納米磁性材料。在1988年，首先發(fā)現(xiàn)在鐵基非晶的基體中加入少量的銅和稀土，經(jīng)適當(dāng)溫度晶化退火后，獲得一種性能優(yōu)異的具有超細(xì)晶粒（直徑約10nm）軟磁合金，后被稱為納米晶軟磁合金。納米晶磁性材料可開發(fā)成各種各樣的磁性器件，應(yīng)用于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，用作電流互感器、開關(guān)電源變壓器、濾波器、漏電保護(hù)器、互感器及傳感器等，可取得令人滿意的經(jīng)濟(jì)效益。
近年來，國內(nèi)外對納米晶磁性材料的研究非常熱門，發(fā)展很快，鐵基納米晶合金材料已經(jīng)在以下幾個方面獲得成功的應(yīng)用。1，精密電流互感器，在高電壓輸電線路中應(yīng)用日益增多，準(zhǔn)確度達(dá)到0.2級和儀表保安系數(shù)小于5，并且成本比高磁導(dǎo)率坡莫合金低50%。2，高頻大功率開關(guān)電源變壓器，其工作頻率為20-50kHz，輸出功率在10kW以上，效率在90%以上，而且體積小，溫升低。3，薄膜開關(guān)電源，能解決損耗、體積和溫升三者的難題，滿足高頻化和小型化的要求。4，抗電磁干擾器件，具有抗飽和能力強(qiáng)、電感量大、品質(zhì)因素高體積小和高效節(jié)能等到特點，廣泛地應(yīng)用于通訊設(shè)備、精密測控設(shè)備和計算機(jī)設(shè)備等。5，傳感器，特別適用作高靈敏場合的磁性器件，如磁頭、漏電保護(hù)開關(guān)等。
今后，納米磁性材料的開發(fā)應(yīng)用，會在以下幾個方面得到發(fā)展：1，納料米晶軟磁合金，進(jìn)一步在電力電子變壓器件系統(tǒng)應(yīng)用。2，復(fù)合磁性薄膜，當(dāng)工作頻率在1MHz以上，厚度小于5μm，通常晶化法獲得的納米晶合金難于滿足要求；利用復(fù)合法制備的磁性薄膜能應(yīng)用于超高頻領(lǐng)域。（1）利用納米晶鐵磁薄膜和非磁性薄膜交替鍍膜的方法制備多層調(diào)制膜 ，可以形成高磁電阻效應(yīng)，制成高靈敏傳感器和計算機(jī)磁頭。（2）將納米晶的金屬軟磁顆粒彌散鑲嵌在高電阻非磁性材料中，構(gòu)成兩相組織的納米顆粒薄膜，這種薄膜最大特點是電阻率高，稱為巨磁阻效應(yīng)材料，在100MHz以上的超高頻段顯示出優(yōu)良的軟磁特性。（3）納米晶磁材料粉末與橡膠等混合，制成磁屏蔽和微波吸收材料，在電波吸收方面具有很好的實用性能。
由于電和磁的相互依附性，有電流的發(fā)生，就有磁場的產(chǎn)生；不管是軍用或民用的各種電子設(shè)備，現(xiàn)在和將來，均離不開配套的磁性元器件。今后磁性材料的發(fā)展新動向是高頻化、薄膜化與納米材料，我們一定要瞄準(zhǔn)科技創(chuàng)新領(lǐng)域，進(jìn)一步提高材料的性能，滿足信息技術(shù)革命要求。
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