磁性材料是現代電力、電子、信息工業的重要基礎材料,同時在農業、國防、醫學和科學研究方麵得到了日益廣泛的應用。高性能磁性材料的出現對於社會生產力的發展和人類生活水平的提高有著巨大的促進作用。
一般把磁性材料分成金屬磁性材料和鐵氧體磁性材料兩大類。前者以純金屬和各種合金為原材料,通過熔煉、澆鑄、加工和熱處理或者由合金粉末通過成型、燒結和熱處理等工藝製成;後者則以氧化鐵和其他各種金屬氧化物為原材料,經球磨、成型和燒結等工藝製成。
這兩類磁性材料又都可劃分為永磁材料、軟磁材料以及磁信息材料。此外,一部分鐵氧體材料由於在微波頻率下工作時具有低損耗和強旋磁特性而成為旋磁材料。
永磁材料又稱硬磁材料。它們一旦在磁場中被充磁後,如撤去外磁場,材料可以保留很強的磁性,而且不易被退磁。高碳鋼、鋁鎳鈷合金、鐵鉻鈷合金、釤鈷合金、釹鐵硼合金、鋇鐵氧體、鍶鐵氧體等都是永磁材料。
它們可以用來製成永磁體,在一定的空間提供恒定的工作磁場。利用磁場本身或通過磁場和載流導體、帶電粒子以及渦流等相互作用,可以使一種能量方便地轉換成另一種能量,因而被廣泛地應用於各種精密儀表、電聲器件、永磁電機、磁選機、自動控製、微波器件、核磁共振成像儀、粒子加速器、磁耦合傳動裝置和各種磁療裝置中。
軟磁材料和永磁材料不同,它們在較低的磁場中即可被飽和磁化,從而呈現很強的磁性,但在磁場撤除以後,磁性也就基本消失。這種材料被大量用做電力、配電箱、通信變壓器以及繼電器、電磁鐵、電感器的鐵芯材料、發電機和電動機的轉子和定子材料以及磁路中的磁軛材料等。典型的軟磁材料有純鐵、鐵矽合金(矽鋼)、鎳鐵合金、鐵鈷合金、錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體和鎂鋅鐵氧體等。
磁信息材料是指應用於計算機、磁記錄和其他信息處理技術中存取信息的一大類磁性材料。計算機和磁記錄技術中各種磁帶、磁盤、磁鼓、磁卡等以及各種磁存儲器諸如磁膜存儲器、磁泡存儲器、磁光存儲器中所使用的磁性材料都屬於這一類。隨著計算機、錄音機、錄像機的發展和普及,這類磁信息材料的產值在磁性材料中一直是最高的。
旋磁材料在微波頻率下呈現出顯著的旋磁現象,例如可使通過它的電磁波的偏振麵發生旋轉(法拉第效應)、或使入射電磁波分解成傳播速度不同且又互相垂直的線偏振波(雙折射效應)或造成電磁波被材料強烈吸收(鐵磁共振)。利用這些旋磁現象可製成各種微波鐵氧體器件,如隔離器、環行器、移相器、混頻器、參量放大器等,被廣泛地應用於雷達技術中。典型材料有鎂錳和鋰鐵氧體等為代表的尖晶石鐵氧體、以釔鐵石榴石(YIG)為代表的石榴石鐵氧體和以鋇鐵氧體為代表的磁鉛石鐵氧體等。
據統計,1982年以來全世界磁性材料的總產值已超過半導體材料的總產值,並有不斷增大的趨勢。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,磁性材料領域和其他材料領域一樣,也在經曆一場重要的變革。這種變革反映在兩個方麵,一方麵一些傳統的磁性材料通過引進新工藝、新技術,性能上有了很大的改進,從而加強了自身的技術應用地位以及和新材料抗衡的能力。例如,用做電力和配電變壓器鐵芯的矽鋼,1983年,日本首先在生產線上采用激光沿鋼板橫向照射表麵從而使內部的磁疇結構細化的新技術以及改進軋製工藝,將鋼板厚度從0.30毫米減薄到0.23毫米,使材料的鐵芯損耗下降了20%。如用這種改進的材料替代原先的材料來製造變壓器,全日本每年便可節電9億度。又如,軟磁鐵氧體材料隨著應用領域的不斷擴大,對材料提出了越來越高的要求,以至出現了“現代鐵氧體”的提法。軟磁鐵氧體材料要求具有高飽和磁感應強度和高磁導率或低的高頻功率損耗。1990年世界電子元器件市場中,需求額增長最快的電子器件是廣泛應用於微機和彩色電視機中的開關穩壓電源,年增長率高達13.5%,其核心部件是用錳鋅鐵氧體製造的主變壓器。
為了實現整機的小型化和輕量化,新一代高速開關電源的工作頻率要求從原來的20千赫提高到100~500千赫,甚至提高到1~2兆赫,同時材料應有低的功率損耗。
為此必須通過改進工藝,包括成分的優選和燒結工藝的優化來做到這一點。還有如用於數字網絡的寬帶變壓器鐵芯的高磁導率鐵氧體材料,日本TDK 公司目前已能生產出初始磁導率高達18000的材料(幾乎等於我國目前能穩定生產的相應材料指標的1倍)。要做到這一點,新工藝的采用和工藝條件的嚴格控製是必不可少的。
另一方麵,磁性材料領域內的材料革命表現在一批新型磁性材料,如稀土永磁材料、非晶態磁性合金和微晶磁性合金以及薄膜磁性材料等的出現,它們的投入生產有可能會極大地影響原有材料的應用格局。它們已經或正在形成新的產業,使磁性材料進入了新的蓬勃發展時期。