第10章 磁性材料

磁性材料是现代电力、电子、信息工业的重要基础材料，同时在农业、国防、医学和科学研究方面得到了日益广泛的应用。高性能磁性材料的出现对于社会生产力的发展和人类生活水平的提高有着巨大的促进作用。

一般把磁性材料分成金属磁性材料和铁氧体磁性材料两大类。前者以纯金属和各种合金为原材料，通过熔炼、浇铸、加工和热处理或者由合金粉末通过成型、烧结和热处理等工艺制成；后者则以氧化铁和其他各种金属氧化物为原材料，经球磨、成型和烧结等工艺制成。

这两类磁性材料又都可划分为永磁材料、软磁材料以及磁信息材料。此外，一部分铁氧体材料由于在微波频率下工作时具有低损耗和强旋磁特性而成为旋磁材料。

永磁材料又称硬磁材料。它们一旦在磁场中被充磁后，如撤去外磁场，材料可以保留很强的磁性，而且不易被退磁。高碳钢、铝镍钴合金、铁铬钴合金、钐钴合金、钕铁硼合金、钡铁氧体、锶铁氧体等都是永磁材料。

它们可以用来制成永磁体，在一定的空间提供恒定的工作磁场。利用磁场本身或通过磁场和载流导体、带电粒子以及涡流等相互作用，可以使一种能量方便地转换成另一种能量，因而被广泛地应用于各种精密仪表、电声器件、永磁电机、磁选机、自动控制、微波器件、核磁共振成像仪、粒子加速器、磁耦合传动装置和各种磁疗装置中。

软磁材料和永磁材料不同，它们在较低的磁场中即可被饱和磁化，从而呈现很强的磁性，但在磁场撤除以后，磁性也就基本消失。这种材料被大量用做电力、配电箱、通信变压器以及继电器、电磁铁、电感器的铁芯材料、发电机和电动机的转子和定子材料以及磁路中的磁轭材料等。典型的软磁材料有纯铁、铁硅合金（硅钢）、镍铁合金、铁钴合金、锰锌铁氧体、镍锌铁氧体和镁锌铁氧体等。

磁信息材料是指应用于计算机、磁记录和其他信息处理技术中存取信息的一大类磁性材料。计算机和磁记录技术中各种磁带、磁盘、磁鼓、磁卡等以及各种磁存储器诸如磁膜存储器、磁泡存储器、磁光存储器中所使用的磁性材料都属于这一类。随着计算机、录音机、录像机的发展和普及，这类磁信息材料的产值在磁性材料中一直是最高的。

旋磁材料在微波频率下呈现出显著的旋磁现象，例如可使通过它的电磁波的偏振面发生旋转（法拉第效应）、或使入射电磁波分解成传播速度不同且又互相垂直的线偏振波（双折射效应）或造成电磁波被材料强烈吸收（铁磁共振）。利用这些旋磁现象可制成各种微波铁氧体器件，如隔离器、环行器、移相器、混频器、参量放大器等，被广泛地应用于雷达技术中。典型材料有镁锰和锂铁氧体等为代表的尖晶石铁氧体、以钇铁石榴石（YIG）为代表的石榴石铁氧体和以钡铁氧体为代表的磁铅石铁氧体等。

据统计，1982年以来全世界磁性材料的总产值已超过半导体材料的总产值，并有不断增大的趋势。由此也可估量出磁性材料在新科技革命中的重要作用。目前，磁性材料领域和其他材料领域一样，也在经历一场重要的变革。这种变革反映在两个方面，一方面一些传统的磁性材料通过引进新工艺、新技术，性能上有了很大的改进，从而加强了自身的技术应用地位以及和新材料抗衡的能力。例如，用做电力和配电变压器铁芯的硅钢，1983年，日本首先在生产线上采用激光沿钢板横向照射表面从而使内部的磁畴结构细化的新技术以及改进轧制工艺，将钢板厚度从0.30毫米减薄到0.23毫米，使材料的铁芯损耗下降了20％。如用这种改进的材料替代原先的材料来制造变压器，全日本每年便可节电9亿度。又如，软磁铁氧体材料随着应用领域的不断扩大，对材料提出了越来越高的要求，以至出现了“现代铁氧体”的提法。软磁铁氧体材料要求具有高饱和磁感应强度和高磁导率或低的高频功率损耗。1990年世界电子元器件市场中，需求额增长最快的电子器件是广泛应用于微机和彩色电视机中的开关稳压电源，年增长率高达13.5％，其核心部件是用锰锌铁氧体制造的主变压器。

为了实现整机的小型化和轻量化，新一代高速开关电源的工作频率要求从原来的20千赫提高到100～500千赫，甚至提高到1～2兆赫，同时材料应有低的功率损耗。

为此必须通过改进工艺，包括成分的优选和烧结工艺的优化来做到这一点。还有如用于数字网络的宽带变压器铁芯的高磁导率铁氧体材料，日本TDK 公司目前已能生产出初始磁导率高达18000的材料（几乎等于我国目前能稳定生产的相应材料指标的1倍）。要做到这一点，新工艺的采用和工艺条件的严格控制是必不可少的。

另一方面，磁性材料领域内的材料革命表现在一批新型磁性材料，如稀土永磁材料、非晶态磁性合金和微晶磁性合金以及薄膜磁性材料等的出现，它们的投入生产有可能会极大地影响原有材料的应用格局。它们已经或正在形成新的产业，使磁性材料进入了新的蓬勃发展时期。