磁性材料：“老兵新传”，本文主要内容关键词为：磁性材料论文,老兵论文,新传论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中国古代的四大发明中，有一项是指南针，这指南针用的就是磁性材料.磁性材料的应用历史很久远；但现代意义上的磁性材料，是从19世纪末到20世纪初随电工、电子学和无线电技术的需要才逐步发展起来的.其应用领域多得无以数计，如各种电机、变压器、电表、电子技术中的磁性元件；通信技术中的滤波器和传感器；战争中用的磁性水雷、地雷和电磁炮；家用电器中录音磁带、录像带；医学诊断用的人体心（脑、肌肉等）磁图测量仪、磁疗仪……现在，谈磁性材料就不只是说磁铁了，它还包括有各种磁效应（如磁压效应、磁热效应、磁光效应等）的弱磁性（如抗磁性和顺磁性）及反磁性材料，如微波激光器应用的顺磁性晶体和毫米波旋磁器件应用的高内场反铁磁性材料.这里只能简要介绍新发展起来的部分新型磁性材料.
我们常见的指南针、磁化杯所用磁性材料叫硬磁.还有一类磁性材料叫软磁.像纯铁就是软磁，在一根铁棒周围绕一个线圈，在线圈中一通电，铁棒立即就有磁性，它能吸引另一根铁棒，但只要线圈中的电流一断，磁性立即消失，这就是软磁.
1900年W.F.巴雷特等人最早研究了铁硅合金的磁性.1913年G.W.埃尔门开始研究铁镍合金的磁性，发现了提高它的磁性的特殊热处理工艺，研究出有名的坡莫合金，使软磁材料的性能达到了前所未有的水平.软磁材料的应用极广泛，像我们常见的变压器中的硅钢片就是软磁.
硬磁的历史虽然悠久，但20世纪前的硬磁性能低下.磁性材料的磁性是以磁能积这一性能为标志的，在30年代以前的磁性材料的磁能积仅每立方米10千焦耳以下，而钕铁硼这种新型磁性材料的磁能积达到每立方米200千焦耳，磁力增加了20倍以上.由于磁力极大的永久磁铁的诞生，相继出现了一些过去难以实现的新产品.
“蜘蛛人”的奥秘
新型磁性材料因具有极大磁能，应用极为广泛.美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室为维修工人发明一种攀登装置，就是用高能永磁材料制造的.维修工人使用这种装置后，既不用梯子，也不用吊车，却能像蜘蛛一样沿烟囱的筒形壁上下左右行动自由而不会掉下来.
原来在维修工人的双手和双脚上载着一个和香烟盒大小的特殊装置——攀高器.攀高器内有两个小磁铁和一个凸轮，载上攀高器后，手和脚尖向下转动凸轮时，磁铁会和烟囱表面紧紧接触，并产生250公斤（手）和375公斤（脚）的强大吸引力.因此足够将体重上百公斤的“大胖子”牢牢地吸引住.行走时，为使磁铁和烟囱壁脱离，只要维修工人向下转动凸轮即可.攀高器本身的重量每个只有一公斤.
巨磁阻材料
美国IBM公司的科学家发明了一种高灵敏度的磁检测器，可以用来读取计算机磁盘中的高密度的数据.这种检测器是利用一种称为巨磁阻材料制作的.巨磁阻材料的特点是当它处于磁场中时，它的电阻就明显降低，即磁电阻率相当高，比传统的磁电阻材料高出几乎20倍.因此，当它通过记录数据的硬盘中的磁化层时，它的电阻的升高或降低幅度很大.
其实，磁性材料在受到外加磁场作用时，引起其电阻变化的现象早在1856年就被发现，但直到20世纪60年代随着电子技术的发展，这一重要的物理现象才得到应用.人们把在磁场中会发生电阻变化的材料称为磁电阻材料.但是一般的磁电阻材料的电阻变化率（即磁场引起的电阻变化与不加磁场时的电阻之比）在室温下还不到8％，即灵敏度不太高，不能读取高密度的磁记录数据.因此，尽管在80年代就能制造出记录密度很高的磁盘，但没有配套的读出磁头也是“白搭”.
某些材料中的巨磁阻现象是1983年发现的，但至今才开始在计算机中得到初步应用.以往大多数计算机都是用一般的磁电阻材料制作读出磁头，读取硬盘上数据的原理是：当磁电阻材料做成的磁头通过记录数据的硬盘磁化层时，就在感应线圈中感应出一个小小的电流.但记录在硬盘上的数据越密，代表每个数据的磁化面积就越小，因而它们产生的磁场也越小.这样就存在一个多小的磁场才能感应出一个可以检测出来的最小极限电流的问题.由于巨磁阻材料对磁场大小的变化极为敏感，极小的变化就能引起其电阻的升高或降低，这就使硬盘记录数据的密度几乎提高20倍.
巨磁阻检测器中磁性材料是夹层结构，由磁性材料层和非磁性材料层组成.有些层只有5～10个原子的厚度.IBM公司发明的巨磁阻检测器是由100埃厚的镍铁层和25埃厚的铜层及22埃厚的钻层组成的层状材料构成的，它可以读出记录密度非常高的硬盘上的数据.具体说，即使每平方英寸上有10亿个信息单位，这种磁检测器也能准确地读取出来.
磁热材料和磁冰箱
磁性材料有许多特殊的性能，如能磁化，又能退去磁性；有些还在磁化中发生电阻变化.1918年，科学家就发现，有些金属在磁化时会变热，而在退磁后又会变冷，像打“摆子”似的.科学家们把这种现象叫“磁热效应”.可别小看了这种效应，聪明的科学家们利用金属的这种现象发明了磁制冷机，就是磁冰箱.科学家利用磁制冷机将物质冷却到接近绝对零度的温度，在科学研究中发挥了重要作用.
但是使磁制冷技术成为今天的热门话题的是1994年初发现的一种由铝铒镝组成的磁热合金材料，这种材料具有很高的效率而且价格便宜.传统的制冷机是大家熟悉的气体压缩循环系统，即将容易液化的氟里昂气体用泵送到制冷机内部吸收热量，然后传送到制冷机外面，当气体通过制冷机背后的蛇形管时，在压缩机的压力下气体冷凝并向周围散发热量.在整个循环过程中，氟里昂和管壁之间的摩擦要消耗能量，因此，即使最好的气体压缩式制冷机的效率也只有40％.新的磁热材料制作的制冷机因为不用气体介质，效率可达60％.
磁热材料受到重视的另一个重要原因是它彻底抛弃了氟里昂这种对环境有害的致冷气体.铝铒镝合金比传统磁制冷机中使用的磁热材料钆钯合金便宜75％.这样，用磁制冷机就有可能制造出便宜的液氢这种对环境无任何污染的能源.磁制冷机对冷却超导体也有不可低估的作用.
录音录像带的生命：磁记录材料
我们常见的磁带、磁盘是用来记录声音、图像、数据或其他电信号的，上面都涂有粉末磁性材料.磁带录音时，要有一个磁头，磁头相当于笔，磁带相当于纸.输入的信息（包括声音、图像等）先变成电信号，再输送到记录磁头的线圈中，使记录磁头气隙中产生与输入的电信号相对应的变化磁场；而紧靠气隙并以恒定速度移动的磁带上的磁记录材料受到变化磁场的作用，从原来未存储信息的退磁状态转变到磁化状态，即将随时间变化的磁场转变为按空间变化的磁场强度公布.磁带通过磁头以后转变到相应的剩磁状态，剩磁状态便记录下与气隙磁场、磁头电流和输入电信号相应的信息.而在磁带重放时，正好与上述的磁记录过程相反，也就是由磁带剩磁使磁头气隙的磁场变化，于是又引起磁头线圈中的电流的变化，通过音响和屏幕变成声音和图像.
磁记录材料有许多种，主要有y-三氧化二铁系列、二氧化铬系列、铁钴系列、钴铭系列、还有锰铋系列、钆钻系列等.主要的磁头材料有锰锌系列和镍锌系铁氧体、镍铁铌系列、铁铝系列、铁铝硅系列等.