磁技術的新應用與展望

1、磁技術的新應用與展望 涂延林信息產業(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的作用下，將會產生諸如：磁光、磁熱、磁吸收、磁化學、磁彈性、磁致伸縮、磁生物等多種物理效應和信息轉換功能。人們可以利用這些不同的“效應”和“功能”轉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、海洋與空間技術中得到廣泛的應用。近幾年來磁性材料的產量與銷售額都有較大的增長。據有關資料報道和預測，1999年世界永磁鐵氧體產量為45萬噸、軟磁鐵氧體為22萬噸、NaFeB永磁為1.04萬噸，2000年則分別為：60萬噸、30萬噸、126萬噸

2、。預計2005年將分別達到1000萬噸、50萬噸、186噸。在21世紀的頭五年、世界磁性材料的產量將以15年平均增長速度發(fā)展。 2一些值得人們密切關注的磁技術新的應用領域（1）在隱身技術中的應用 隱身技術是一種通過降低飛行器的電、光、熱可探測特性，使防空探測設備不能早期發(fā)現的綜合技術。使用隱身技術的兵器，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率的頻散特性來吸收、衰減或屏蔽電磁波，以達到不被敵方探測發(fā)現而“隱身”的目的。隱身技術是現代戰(zhàn)爭中克敵制勝的“秘密武器”，是高度機密的高新技術。許多國家都撥出巨款秘密研制，并在戰(zhàn)爭中得到實際應用。 1）“隱身飛機”：據報道

3、已采用或正在采用的穩(wěn)身飛機有：F117A、B2、B1B、TR1、YF22A、YF23A等機型。在海灣戰(zhàn)爭中，美國采用了先進的F117A隱身戰(zhàn)斗機：采用后掠式機翼，翼展為12.99m、機長19.81m、高49m、攜帶二枚重907kg激光制導炸彈，機身由特殊材料制成多角多面體，呈橢圓尖塔形。其雷達搜索截獲的面積（RCS）只有0.02m2，它綜合使用了當代的技術和多種隱身材料，并裝有遠紅外跟蹤系統(tǒng)，可在夜間50m低空飛行，航速可達亞音速。 據透露，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、僅能吸收雷達波，也能吸收和耗散紅外線。據說這種“鐵球”是一種可噴涂的聚氨酯涂料，灰色液體，在40分鐘內變干，無粘性、(1224)h內變硬，其吸收特性取決于厚度。0.76mm厚的涂層，將使雷達反射減少3dB(6GHz)13dB(18GHz)。 據報道該機種曾對伊拉克上空突擊而不被伊拉克雷達發(fā)現，執(zhí)行任務1270架次，推毀伊軍95的重要軍事目標，而該機種卻無一損傷。 洛克希德高級發(fā)展公司已研制一種絕密的、有人駕駛的隱身機新型偵察機，航速為5馬赫，可能成為美空軍的一張王牌。 日本1994年10月國際飛行雜志披露，日防衛(wèi)廳技術研究開發(fā)所（TRDI）已提出10億日元（ 1000萬美元）財政申請開發(fā)FIX

5、隱身機動戰(zhàn)斗機，打算在2007年作出試驗樣機。 2）“隱身艦艇”：隱身艦艇對水面、特別是防御能力較弱的中小艦艇作用更大。可采用減少噪聲，隱身設計（減少甲板上凸出物體等）并敷以吸收雷達波的涂料，降低熱量的排散等而達到隱身。 90年代初，瑞典研制出第一艘隱身戰(zhàn)艦。據報道，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。該艦速度快、噪聲小，并能躲避敵方雷達。其外形像一個四面傾斜的巨大鞋盒，研制歷時五年，耗資7500萬瑞典克朗（1340萬美元）。為消除對雷達輻射波的反射，不但艦體外殼和上部構造沒有明顯的棱角，就連甲板上的所有設備和武器也都經過特別設計（涂有吸收涂料），以避免敵人發(fā)現，平

6、時艦上的導彈、水雷和反潛式武器都藏在艦上部隱蔽板內，到需要時，打開隱蔽板，露出武器。航行靠噴水推進，航速50nmile/h。為防止?jié)撏Ч?，艦吃水深度小，并可保障通訊聯絡暢通。 美國的第一艘隱身軍艦在保密十年后，以白天航行測試的形式在加州南部海域與公眾見面。據洛杉磯時報報道：這艘取名為“海影”號隱身軍艦，長約50m，染成黑色的艇身，能在雷達探測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。 3）“隱身坦克”：由于武裝直升飛機，反坦克導彈的出現對坦克的威脅很大，所以急于“隱形”。美、英、日等都對坦克和其它作戰(zhàn)車輛作過雷達、毫米波激光照射下的特性研究，并研制了能吸收可見光和雷達

7、波的多層偽裝材料和隱形裝甲。 英國曾公開展示過一種能吸收雷達波的KRAM輕型裝甲。它以芳倫纖維為基本材料，夾有雷達毫米波吸收涂層，坦克不易遭受毫米波制導武器攻擊。 美國塑料坦克樣車早已問世，車身用玻璃鋼纖維增強塑料制成。由于成型方便，所以炮塔可以最大限度滿足設計要求，重量輕，易制造，隱形效果好。 此外，已在巡航導彈、隱形橋梁、微波暗室等方面應用鐵氧體（如：NiCuZn、MgCuZn、MuZn、六角晶系、羰基鐵等）系列或與金屬短纖維有機粘合劑等作成復合鐵氧體材料。具有吸波效率高，厚度薄、頻帶寬、耐候性強、耐蝕持久、成本低等特點。 （2）在農業(yè)中的應用 當水以一定流速，垂直于不同強度的磁場方向流過

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

9、的電磁開關、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，當高溫高速氣流通過強磁場時，氣流由于高溫電離變成等離子導電流體切割磁力線而產生感應電勢和電能。其發(fā)電效率比傳統(tǒng)的水力、火力、核能發(fā)電提高(5060)，一個一百萬kW的磁流體發(fā)電廠，年節(jié)煤可達一百萬噸，造價僅為火力發(fā)電廠的14。 （4）在環(huán)保方面的應用 1）隨著電子技術的迅猛發(fā)展以及各種通訊、家用電器、辦公自動化等電子設備的日益普及應用，電磁波的輻射與泄漏問題愈來愈嚴重，它不僅對電子設備本身產生嚴重的電磁波干擾，同時威脅著人類的身心健康，已成為嚴重的環(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防止電磁波輻射、信號竄擾等，以達到環(huán)境免受電磁污染的目的。 2）目前90能源來自煤、石油和天然氣的燃燒。而燃燒所產生的多種有害氣體的排放會污染環(huán)境。如把磁化節(jié)油減煙器、燃油增能器用于燃油燃氣設備中，在燃料未燃燒前進行磁化，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)電機重力增加，CO、NO等有害氣體排放減少（2565），減煙率達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(8095)，灰分減少（3070），煤的回收率可達（8590）。

11、 （5）在高能武器方面的應用 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、磁光調制器、磁光環(huán)行器、磁光旋轉器、磁光開關、磁光移機器等關鍵器件。美、俄、日等國都投入了大量的人力物人進行研制。 2）電磁炮：是利用電磁力（洛倫茨力）通過加速器將電磁能轉化為彈丸的動能，并以高達（1020）km/s的高速從發(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、精度高、穿透力強。美國已研制出兩門低能樣炮，將來，電磁炮的速度可能高達100km/s。 3）高功率微波武器：據報道原蘇聯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，主要用來保護防

12、空中心，并且有抗反輻射導彈的功能。整套設備重13噸，分裝在三輛越野車上。該系統(tǒng)應用了多種磁性微波器件。 （6）在防空導彈系統(tǒng)中的應用 1）80年代初，美國西屋電器公司為空軍主力戰(zhàn)斗轟炸機研制了捷變技術雷達（EAR），裝備B1B和B52型轟炸機。EAR相控陣天線使用1818個鐵氧體移相變極化的輻射單元，由鐵氧體移相段產生相移，再由鐵氧體變極化器來實現極化轉換。 2）在海灣戰(zhàn)爭中，美國“愛國者”防空導彈系統(tǒng)中采用了C波段相控陣雷達ANMPQ53（SAMD）與火控雷達相聯，雷達天線是八個大小不一，形狀不同，用途各異的天線陣，主天線由5161個四位鎖式非互易鐵氧體移相器組成，還有五個51個輻射單元的小

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”導彈中大顯身手。現在應用鐵氧體移相器的相控陣雷達有幾十種，采用頻段有S、C、X、Ku波段。 （7）在交通運輸方面的應用 由于超高磁能積稀土永磁體和室溫超導體的出現，研制出新一代交通運輸工具。 1）磁懸浮列車:磁懸浮列車，是借助于磁力來懸浮、導引與驅動車輛。其特點是它沒有車輪，而依靠電磁作用力把車輛懸浮在導軌上方，行走時，除與空氣磨擦外，沒有輪接觸所帶來的阻力。其推動力為直線電機，在高速行駛時，就像一架超低空飛行的飛機。時速可達(5001000)km。由于磁懸浮列車無機械接觸、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）日本制成時速180kg的第一艘超導試驗船，該船沒有螺旋漿，由超導磁力推進，船身30m,重280噸，時速比現在最快的運輸船快一倍。 3）德國一家公司開發(fā)了一種利用永磁體的磁力運輸、提升人、煤、礦石并可混裝的運輸系統(tǒng)，可以避免燃燒爆炸等事故。 （8）在醫(yī)療技術方面的應用 生物磁學是研究了與應用物質磁性及磁場生物特性，生命之間的關系及其相互影響，以及它們之間規(guī)律特性的科學。 應用不同強度或不同類型的磁場，對生物體會引起不同的反應。實驗證明，磁場可以作為形成各類條件反射的因素，同時也可形成抑制其它條件反射的抑制刺激。 目前已探測到人體具有心、腦、神經、眼、視網膜、肌、肝、腹、肢

15、及頭皮等磁場。所以可以利用磁場作用治病。例如，磁場具有鎮(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。 國外應用磁性液體與磁控技術對有的疾病治療取得進展。 1）作為手術載體將磁性液體注入到動脈血管，再用外加磁場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”切斷對腫瘤血液的供給，使腫瘤枯萎，壞死，脫落。美國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，國外有治療胃潰瘍和動脈瘤的病例。 3）作為穴位的刺激因子用永磁粉末做成磁注射劑，注入到小白鼠有關穴位，然后充磁，設想通過對穴位的刺激作用，調整神經機能，達到治療作用等。 近年來，我

16、國市售的磁療程保健用品，磁腰帶、磁瘦身（減肥）機，磁鞋，磁增高器等到處可見。隨著磁療機理的進一步了解和應用，磁療保鍵用品將有寬廣的市場。 （9）在微型技術中的應用 隨著電子產品向小型化、輕量化、高穩(wěn)定、高可靠方向發(fā)展，微波毫米波器件應用范圍日益擴大，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，并有其廣泛的應用前景。 （10）納米磁性技術的研究與興起 納米技術是指在納米(1nm=109m)尺度范圍內認識和改造世界的一門嶄新的綜合性科學技術。最近經理論計算與實驗測定證明了某些原子團簇的磁性與大

17、塊材料或單個原子的磁性不同。值得注意的是非磁性的固體當維數減小到以團族形式存在時，將呈現出鐵磁性。這將給鐵磁理論和磁性應用帶來突破性的進展。實驗表明，納米材料在力、熱、光磁、吸波和敏感等方面具有比通常結構下的同成份材料特殊得多的性能。 1）理想的吸收材料：納米材料遠小于紅外及雷達波波長，其透波性和對電磁波的吸波效率比粗粉或塊狀物大得多，粒度越細，吸波越好。納米磁性材料磁損大，因而用來制作紅外檢測元件、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型復合材料和采用多層結構和22型復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作存儲器，將比現有的磁介質的存儲器密度提高1萬倍。目前國內外正在研制典型的納米級六角晶系鋇鐵氧體的垂直磁記錄介質。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：它與高溫超導類似，它將對信息技術、汽車制造技術產生深遠影響。利用GMR可使計算機磁盤存儲能力提高30倍，即可使每平方英寸計算機磁盤信息存儲能力增加到100億位?？捎眠@類材料做汽車上的防抱死系統(tǒng)中的傳感器，以及用來測定汽車發(fā)動機曲軸的速度，以節(jié)約燃料和減少廢氣的排放等。 據報道，巨磁阻效應高密度讀出磁頭的市場估計為10億美元。目前已進入大規(guī)模的工業(yè)生產。磁隨機存儲器的市場估計為1千億美元，預計不久將投入生產。磁電子傳感器的應用市場也十分寬廣。4）納米晶巨能積復合永磁材料：1988年日本已研制出納米級軟磁材料“Finement”，它具有鐵基非晶體材料的高飽和磁化強度及鈷基非晶材料的優(yōu)良高頻特性，在開關電源、磁放大器、高頻變壓器、抗電磁濾波器（EMIF）等中得到應用。最近提出一個創(chuàng)新的納米晶復合交換耦合巨能積永磁材料的設想。由于軟磁材料的飽和磁化強度Ms高，但矯頑力（HC）小，而永磁材料HC大而Ms