磁技術(shù)的新應(yīng)用與展望

1、磁技術(shù)的新應(yīng)用與展望 涂延林信息產(chǎn)業(yè)部電子20所（西安710068） 1引言 由于磁性材料置于某種電磁場(chǎng)的作用下，將會(huì)產(chǎn)生諸如：磁光、磁熱、磁吸收、磁化學(xué)、磁彈性、磁致伸縮、磁生物等多種物理效應(yīng)和信息轉(zhuǎn)換功能。人們可以利用這些不同的“效應(yīng)”和“功能”轉(zhuǎn)換特性制造出具有各種特殊用途的元器件，以滿足不同的需要。它已在電子、電力、信息、能源、交通、新材料、生物、海洋與空間技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。近幾年來(lái)磁性材料的產(chǎn)量與銷售額都有較大的增長(zhǎng)。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道和預(yù)測(cè)，1999年世界永磁鐵氧體產(chǎn)量為45萬(wàn)噸、軟磁鐵氧體為22萬(wàn)噸、NaFeB永磁為1.04萬(wàn)噸，2000年則分別為：60萬(wàn)噸、30萬(wàn)噸、126萬(wàn)噸

2、。預(yù)計(jì)2005年將分別達(dá)到1000萬(wàn)噸、50萬(wàn)噸、186噸。在21世紀(jì)的頭五年、世界磁性材料的產(chǎn)量將以15年平均增長(zhǎng)速度發(fā)展。 2一些值得人們密切關(guān)注的磁技術(shù)新的應(yīng)用領(lǐng)域（1）在隱身技術(shù)中的應(yīng)用 隱身技術(shù)是一種通過(guò)降低飛行器的電、光、熱可探測(cè)特性，使防空探測(cè)設(shè)備不能早期發(fā)現(xiàn)的綜合技術(shù)。使用隱身技術(shù)的兵器，稱之謂隱身武器。 “隱身”是利用某些磁性材料在高頻下具有很大的損耗和磁導(dǎo)率的頻散特性來(lái)吸收、衰減或屏蔽電磁波，以達(dá)到不被敵方探測(cè)發(fā)現(xiàn)而“隱身”的目的。隱身技術(shù)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中克敵制勝的“秘密武器”，是高度機(jī)密的高新技術(shù)。許多國(guó)家都撥出巨款秘密研制，并在戰(zhàn)爭(zhēng)中得到實(shí)際應(yīng)用。 1）“隱身飛機(jī)”：據(jù)報(bào)道

3、已采用或正在采用的穩(wěn)身飛機(jī)有：F117A、B2、B1B、TR1、YF22A、YF23A等機(jī)型。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)采用了先進(jìn)的F117A隱身戰(zhàn)斗機(jī)：采用后掠式機(jī)翼，翼展為12.99m、機(jī)長(zhǎng)19.81m、高49m、攜帶二枚重907kg激光制導(dǎo)炸彈，機(jī)身由特殊材料制成多角多面體，呈橢圓尖塔形。其雷達(dá)搜索截獲的面積（RCS）只有0.02m2，它綜合使用了當(dāng)代的技術(shù)和多種隱身材料，并裝有遠(yuǎn)紅外跟蹤系統(tǒng)，可在夜間50m低空飛行，航速可達(dá)亞音速。 據(jù)透露，它采用了鐵氧體吸波材料及一種叫l(wèi)ronBall（鐵球）材料一種能有效地減小RCS的隱身油漆。它與鐵氧體基油漆類似，但比較輕而有效，其顏色從暗灰到純黑色，不

4、僅能吸收雷達(dá)波，也能吸收和耗散紅外線。據(jù)說(shuō)這種“鐵球”是一種可噴涂的聚氨酯涂料，灰色液體，在40分鐘內(nèi)變干，無(wú)粘性、(1224)h內(nèi)變硬，其吸收特性取決于厚度。0.76mm厚的涂層，將使雷達(dá)反射減少3dB(6GHz)13dB(18GHz)。 據(jù)報(bào)道該機(jī)種曾對(duì)伊拉克上空突擊而不被伊拉克雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行任務(wù)1270架次，推毀伊軍95的重要軍事目標(biāo)，而該機(jī)種卻無(wú)一損傷。 洛克希德高級(jí)發(fā)展公司已研制一種絕密的、有人駕駛的隱身機(jī)新型偵察機(jī)，航速為5馬赫，可能成為美空軍的一張王牌。 日本1994年10月國(guó)際飛行雜志披露，日防衛(wèi)廳技術(shù)研究開發(fā)所（TRDI）已提出10億日元（ 1000萬(wàn)美元）財(cái)政申請(qǐng)開發(fā)FIX

5、隱身機(jī)動(dòng)戰(zhàn)斗機(jī)，打算在2007年作出試驗(yàn)樣機(jī)。 2）“隱身艦艇”：隱身艦艇對(duì)水面、特別是防御能力較弱的中小艦艇作用更大?？刹捎脺p少噪聲，隱身設(shè)計(jì)（減少甲板上凸出物體等）并敷以吸收雷達(dá)波的涂料，降低熱量的排散等而達(dá)到隱身。 90年代初，瑞典研制出第一艘隱身戰(zhàn)艦。據(jù)報(bào)道，瑞典海軍在“卡爾斯克魯納”船廠下水一艘新型隱身戰(zhàn)艦“斯密奇”號(hào)。該艦速度快、噪聲小，并能躲避敵方雷達(dá)。其外形像一個(gè)四面傾斜的巨大鞋盒，研制歷時(shí)五年，耗資7500萬(wàn)瑞典克朗（1340萬(wàn)美元）。為消除對(duì)雷達(dá)輻射波的反射，不但艦體外殼和上部構(gòu)造沒(méi)有明顯的棱角，就連甲板上的所有設(shè)備和武器也都經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)（涂有吸收涂料），以避免敵人發(fā)現(xiàn)，平

6、時(shí)艦上的導(dǎo)彈、水雷和反潛式武器都藏在艦上部隱蔽板內(nèi)，到需要時(shí)，打開隱蔽板，露出武器。航行靠噴水推進(jìn)，航速50nmile/h。為防止?jié)撏Ч?，艦吃水深度小，并可保障通訊?lián)絡(luò)暢通。 美國(guó)的第一艘隱身軍艦在保密十年后，以白天航行測(cè)試的形式在加州南部海域與公眾見(jiàn)面。據(jù)洛杉磯時(shí)報(bào)報(bào)道：這艘取名為“海影”號(hào)隱身軍艦，長(zhǎng)約50m，染成黑色的艇身，能在雷達(dá)探測(cè)屏幕上不顯形的棱角形狀。它停在船塢中的整體外形，恰似一架隱身飛機(jī)。 3）“隱身坦克”：由于武裝直升飛機(jī)，反坦克導(dǎo)彈的出現(xiàn)對(duì)坦克的威脅很大，所以急于“隱形”。美、英、日等都對(duì)坦克和其它作戰(zhàn)車輛作過(guò)雷達(dá)、毫米波激光照射下的特性研究，并研制了能吸收可見(jiàn)光和雷達(dá)

7、波的多層偽裝材料和隱形裝甲。 英國(guó)曾公開展示過(guò)一種能吸收雷達(dá)波的KRAM輕型裝甲。它以芳倫纖維為基本材料，夾有雷達(dá)毫米波吸收涂層，坦克不易遭受毫米波制導(dǎo)武器攻擊。 美國(guó)塑料坦克樣車早已問(wèn)世，車身用玻璃鋼纖維增強(qiáng)塑料制成。由于成型方便，所以炮塔可以最大限度滿足設(shè)計(jì)要求，重量輕，易制造，隱形效果好。 此外，已在巡航導(dǎo)彈、隱形橋梁、微波暗室等方面應(yīng)用鐵氧體（如：NiCuZn、MgCuZn、MuZn、六角晶系、羰基鐵等）系列或與金屬短纖維有機(jī)粘合劑等作成復(fù)合鐵氧體材料。具有吸波效率高，厚度薄、頻帶寬、耐候性強(qiáng)、耐蝕持久、成本低等特點(diǎn)。 （2）在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 當(dāng)水以一定流速，垂直于不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)方向流過(guò)

8、時(shí)，則可獲得不同強(qiáng)度的磁化水。用適當(dāng)強(qiáng)度的磁化水處理農(nóng)作物的種子、喂養(yǎng)家禽家畜，可提高農(nóng)作物和家禽家畜的產(chǎn)量和質(zhì)量。如有人用磁場(chǎng)強(qiáng)度為1500A/m的磁化水浸泡水稻種子、可增產(chǎn)(1520)，用2000A/m磁化水喂雞，每只雞多產(chǎn)蛋（79)個(gè)，且每個(gè)蛋增重15g。用3000A/m的磁化水喂豬，豬平均增重37，用來(lái)噴灑土豆、蘿卜，每畝可增產(chǎn)(3540)kg。 （3）在節(jié)能方面的應(yīng)用 利用稀土永磁電機(jī)沒(méi)有激磁線圈和鐵心、沒(méi)有損耗、不發(fā)熱等特點(diǎn)來(lái)代替常用電動(dòng)機(jī)，可縮小體積、減輕重量、提高效率。如在汽車中用永磁電機(jī)替代傳統(tǒng)的電機(jī)，可使體積減輕4070，效率提高50以上，并可節(jié)銅節(jié)電。將電氣設(shè)備中大量使用

9、的電磁開關(guān)、電磁閥的電磁鐵換成永磁體，可節(jié)電90以上。 利用磁懸浮原理制成新型無(wú)摩擦的軸承取代傳統(tǒng)軸承，其能耗可降低90以上。 利用磁流體發(fā)電，當(dāng)高溫高速氣流通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，氣流由于高溫電離變成等離子導(dǎo)電流體切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電能。其發(fā)電效率比傳統(tǒng)的水力、火力、核能發(fā)電提高(5060)，一個(gè)一百萬(wàn)kW的磁流體發(fā)電廠，年節(jié)煤可達(dá)一百萬(wàn)噸，造價(jià)僅為火力發(fā)電廠的14。 （4）在環(huán)保方面的應(yīng)用 1）隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及各種通訊、家用電器、辦公自動(dòng)化等電子設(shè)備的日益普及應(yīng)用，電磁波的輻射與泄漏問(wèn)題愈來(lái)愈嚴(yán)重，它不僅對(duì)電子設(shè)備本身產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁波干擾，同時(shí)威脅著人類的身心健康，已成為嚴(yán)重的環(huán)境

10、污染源。研制與開發(fā)不同的磁性吸收材料做成元器件和涂料來(lái)防止電磁波輻射、信號(hào)竄擾等，以達(dá)到環(huán)境免受電磁污染的目的。 2）目前90能源來(lái)自煤、石油和天然氣的燃燒。而燃燒所產(chǎn)生的多種有害氣體的排放會(huì)污染環(huán)境。如把磁化節(jié)油減煙器、燃油增能器用于燃油燃?xì)庠O(shè)備中，在燃料未燃燒前進(jìn)行磁化，促使油、氧分子鏈斷裂霧化，使之充分燃燒，提高燃燒效率，可節(jié)油氣10左右。由于燃燒溫度升高，發(fā)電機(jī)重力增加，CO、NO等有害氣體排放減少（2565），減煙率達(dá)50以上。如用高梯度磁分離器，可有效地除去煤粉、煤漿中的硫化物，大量減少二氧化硫氣體的排放量，脫硫率可達(dá)(8095)，灰分減少（3070），煤的回收率可達(dá)（8590）。

11、 （5）在高能武器方面的應(yīng)用 1）激光炮：在激光武器系統(tǒng)中有許多磁光器件。如：磁光隔離器、磁光調(diào)制器、磁光環(huán)行器、磁光旋轉(zhuǎn)器、磁光開關(guān)、磁光移機(jī)器等關(guān)鍵器件。美、俄、日等國(guó)都投入了大量的人力物人進(jìn)行研制。 2）電磁炮：是利用電磁力（洛倫茨力）通過(guò)加速器將電磁能轉(zhuǎn)化為彈丸的動(dòng)能，并以高達(dá)（1020）km/s的高速?gòu)陌l(fā)射器發(fā)出。電磁發(fā)射的推力大約為火藥的10倍。所發(fā)射的炮彈速度高、射程遠(yuǎn)、精度高、穿透力強(qiáng)。美國(guó)已研制出兩門低能樣炮，將來(lái)，電磁炮的速度可能高達(dá)100km/s。 3）高功率微波武器：據(jù)報(bào)道原蘇聯(lián)已研制成一種專用于防空的微波武器，其輻射功率為1GW,作用距離(110)km，主要用來(lái)保護(hù)防

12、空中心，并且有抗反輻射導(dǎo)彈的功能。整套設(shè)備重13噸，分裝在三輛越野車上。該系統(tǒng)應(yīng)用了多種磁性微波器件。 （6）在防空導(dǎo)彈系統(tǒng)中的應(yīng)用 1）80年代初，美國(guó)西屋電器公司為空軍主力戰(zhàn)斗轟炸機(jī)研制了捷變技術(shù)雷達(dá)（EAR），裝備B1B和B52型轟炸機(jī)。EAR相控陣天線使用1818個(gè)鐵氧體移相變極化的輻射單元，由鐵氧體移相段產(chǎn)生相移，再由鐵氧體變極化器來(lái)實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換。 2）在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)“愛(ài)國(guó)者”防空導(dǎo)彈系統(tǒng)中采用了C波段相控陣?yán)走_(dá)ANMPQ53（SAMD）與火控雷達(dá)相聯(lián)，雷達(dá)天線是八個(gè)大小不一，形狀不同，用途各異的天線陣，主天線由5161個(gè)四位鎖式非互易鐵氧體移相器組成，還有五個(gè)51個(gè)輻射單元的小

13、陣列天線作為旁瓣抵消，以減少敵方干擾。在欄截伊軍“飛毛腿”導(dǎo)彈中大顯身手?，F(xiàn)在應(yīng)用鐵氧體移相器的相控陣?yán)走_(dá)有幾十種，采用頻段有S、C、X、Ku波段。 （7）在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用 由于超高磁能積稀土永磁體和室溫超導(dǎo)體的出現(xiàn)，研制出新一代交通運(yùn)輸工具。 1）磁懸浮列車:磁懸浮列車，是借助于磁力來(lái)懸浮、導(dǎo)引與驅(qū)動(dòng)車輛。其特點(diǎn)是它沒(méi)有車輪，而依靠電磁作用力把車輛懸浮在導(dǎo)軌上方，行走時(shí)，除與空氣磨擦外，沒(méi)有輪接觸所帶來(lái)的阻力。其推動(dòng)力為直線電機(jī)，在高速行駛時(shí)，就像一架超低空飛行的飛機(jī)。時(shí)速可達(dá)(5001000)km。由于磁懸浮列車無(wú)機(jī)械接觸、噪聲低、速度高、安全、平穩(wěn)、不污染環(huán)境、節(jié)省能源，所以是一種理

14、想的綠色交通工具。 2）日本制成時(shí)速180kg的第一艘超導(dǎo)試驗(yàn)船，該船沒(méi)有螺旋漿，由超導(dǎo)磁力推進(jìn)，船身30m,重280噸，時(shí)速比現(xiàn)在最快的運(yùn)輸船快一倍。 3）德國(guó)一家公司開發(fā)了一種利用永磁體的磁力運(yùn)輸、提升人、煤、礦石并可混裝的運(yùn)輸系統(tǒng)，可以避免燃燒爆炸等事故。 （8）在醫(yī)療技術(shù)方面的應(yīng)用 生物磁學(xué)是研究了與應(yīng)用物質(zhì)磁性及磁場(chǎng)生物特性，生命之間的關(guān)系及其相互影響，以及它們之間規(guī)律特性的科學(xué)。 應(yīng)用不同強(qiáng)度或不同類型的磁場(chǎng)，對(duì)生物體會(huì)引起不同的反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明，磁場(chǎng)可以作為形成各類條件反射的因素，同時(shí)也可形成抑制其它條件反射的抑制刺激。 目前已探測(cè)到人體具有心、腦、神經(jīng)、眼、視網(wǎng)膜、肌、肝、腹、肢

15、及頭皮等磁場(chǎng)。所以可以利用磁場(chǎng)作用治病。例如，磁場(chǎng)具有鎮(zhèn)痛作用，鎮(zhèn)靜解痙作用、消腫作用、降壓作用、降脂作用、止瀉作用等。 國(guó)外應(yīng)用磁性液體與磁控技術(shù)對(duì)有的疾病治療取得進(jìn)展。 1）作為手術(shù)載體將磁性液體注入到動(dòng)脈血管，再用外加磁場(chǎng)將磁性液體吸引到給供腫瘤血液的入口處，在該處形成“血栓”切斷對(duì)腫瘤血液的供給，使腫瘤枯萎，壞死，脫落。美國(guó)有治療腎上腫瘤與舌癌的成功事例。 2）作為藥物載體將磁性液體作為藥物的載體，治療腫瘤，國(guó)外有治療胃潰瘍和動(dòng)脈瘤的病例。 3）作為穴位的刺激因子用永磁粉末做成磁注射劑，注入到小白鼠有關(guān)穴位，然后充磁，設(shè)想通過(guò)對(duì)穴位的刺激作用，調(diào)整神經(jīng)機(jī)能，達(dá)到治療作用等。 近年來(lái)，我

16、國(guó)市售的磁療程保健用品，磁腰帶、磁瘦身（減肥）機(jī)，磁鞋，磁增高器等到處可見(jiàn)。隨著磁療機(jī)理的進(jìn)一步了解和應(yīng)用，磁療保鍵用品將有寬廣的市場(chǎng)。 （9）在微型技術(shù)中的應(yīng)用 隨著電子產(chǎn)品向小型化、輕量化、高穩(wěn)定、高可靠方向發(fā)展，微波毫米波器件應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，各種小型平面器件，如磁性薄膜器件、毫米波微帶鐵氧體器件、鰭線鐵氧體器件、磁性集成器件以及與MIMIC電路相匹配的新的鐵氧體元器件將不斷研制和開發(fā)出來(lái)，并有其廣泛的應(yīng)用前景。 （10）納米磁性技術(shù)的研究與興起 納米技術(shù)是指在納米(1nm=109m)尺度范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造世界的一門嶄新的綜合性科學(xué)技術(shù)。最近經(jīng)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)定證明了某些原子團(tuán)簇的磁性與大

17、塊材料或單個(gè)原子的磁性不同。值得注意的是非磁性的固體當(dāng)維數(shù)減小到以團(tuán)族形式存在時(shí)，將呈現(xiàn)出鐵磁性。這將給鐵磁理論和磁性應(yīng)用帶來(lái)突破性的進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)表明，納米材料在力、熱、光磁、吸波和敏感等方面具有比通常結(jié)構(gòu)下的同成份材料特殊得多的性能。 1）理想的吸收材料：納米材料遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng)，其透波性和對(duì)電磁波的吸波效率比粗粉或塊狀物大得多，粒度越細(xì)，吸波越好。納米磁性材料磁損大，因而用來(lái)制作紅外檢測(cè)元件、紅外吸波材料。采用金屬、鐵氧體等超微粉與聚合物形成的O3型復(fù)合材料和采用多層結(jié)構(gòu)和22型復(fù)合材料可衰減電磁波和聲波，減少反射和散射，在電磁“隱身”應(yīng)用方面取得良好效果。 2）新型的磁記錄材料：粒徑

18、為16nm的超微鐵粉的矯頑力（HC）比塊狀鐵的HC高1000倍，用(23)nm尺寸的Fe2O3作存儲(chǔ)器，將比現(xiàn)有的磁介質(zhì)的存儲(chǔ)器密度提高1萬(wàn)倍。目前國(guó)內(nèi)外正在研制典型的納米級(jí)六角晶系鋇鐵氧體的垂直磁記錄介質(zhì)。納米磁記錄材料不僅可以獲得高的HC，而且可獲得均勻的薄磁層，表面光滑、信噪比高。 3）納米巨磁阻（GMR）材料：它與高溫超導(dǎo)類似，它將對(duì)信息技術(shù)、汽車制造技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。利用GMR可使計(jì)算機(jī)磁盤存儲(chǔ)能力提高30倍，即可使每平方英寸計(jì)算機(jī)磁盤信息存儲(chǔ)能力增加到100億位?？捎眠@類材料做汽車上的防抱死系統(tǒng)中的傳感器，以及用來(lái)測(cè)定汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的速度，以節(jié)約燃料和減少?gòu)U氣的排放等。 據(jù)報(bào)道，巨磁阻效應(yīng)高密度讀出磁頭的市場(chǎng)估計(jì)為10億美元。目前已進(jìn)入大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的市場(chǎng)估計(jì)為1千億美元，預(yù)計(jì)不久將投入生產(chǎn)。磁電子傳感器的應(yīng)用市場(chǎng)也十分寬廣。4）納米晶巨能積復(fù)合永磁材料：1988年日本已研制出納米級(jí)軟磁材料“Finement”，它具有鐵基非晶體材料的高飽和磁化強(qiáng)度及鈷基非晶材料的優(yōu)良高頻特性，在開關(guān)電源、磁放大器、高頻變壓器、抗電磁濾波器（EMIF）等中得到應(yīng)用。最近提出一個(gè)創(chuàng)新的納米晶復(fù)合交換耦合巨能積永磁材料的設(shè)想。由于軟磁材料的飽和磁化強(qiáng)度Ms高，但矯頑力（HC）小，而永磁材料HC大而Ms