稀土永磁材料在信息技術(shù)中的應(yīng)用

張立喬

一、概況

眾所周知，磁性材料中的永磁（也稱硬磁）、軟磁和旋磁等磁性材料是信息產(chǎn)業(yè)的重要功能材料。它們在包括電訊、電話、印刷、出版、新聞、廣播、電視等傳統(tǒng)的信息部門和新興的電子計算機、激光、光導(dǎo)纖維、通訊衛(wèi)星等信息部門中起到非常重要的作用。這些重要的功能材料應(yīng)用于以電子計算機為基礎(chǔ)的包括信息采集、傳遞、儲存、加工和處理等信息產(chǎn)業(yè)中的各個方面。信息的采集需要各種各樣的傳感器，而利用磁效應(yīng)已制造了大量的高靈敏、高精度的磁性傳感器；具有旋磁特性的微波鐵氧體材料在大功率微波發(fā)射和接收時作為單向傳輸?shù)沫h(huán)行器或隔離器，是廣播電視、衛(wèi)星通信等信息傳輸?shù)谋匾骷?；半硬磁性或硬磁性薄膜可作為永久保存信息的磁性存儲器；在信息的加工和處理過程中，計算機、掃描儀、復(fù)印機等設(shè)備都離不開由硬磁性材料制造的各類永磁馬達或其他驅(qū)動裝置；在信息加工和處理過程中離不開由軟磁性材料制作的各種電感器、扼流圈和變壓器。因此，信息產(chǎn)業(yè)是與磁性材料的開發(fā)和利用密切相關(guān)的一個產(chǎn)業(yè)。

二、稀土永磁材料在信息產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

在磁性材料中，永磁材料的主要功能在于為各種器件或裝置提供一個磁場，通常在能量轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)機械中作為轉(zhuǎn)子，而在傳感器、行波管、音響喇叭等器件和裝置中作為一個恒定磁場源。在信息產(chǎn)業(yè)中，永磁材料已有大量的應(yīng)用。表1列出了稀土永磁材料在信息產(chǎn)業(yè)中部分的應(yīng)用領(lǐng)域、構(gòu)成的元件和使用的稀土永磁材料?？梢钥吹?，稀土永磁材料對于信息產(chǎn)業(yè)來說是一種非常重要的磁性功能材料，它與現(xiàn)代的信息產(chǎn)業(yè)，特別是“三網(wǎng)”（電信網(wǎng)、電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)）以及智能電網(wǎng)的各個方面都有著密切的關(guān)系，稀土永磁材料在信息產(chǎn)業(yè)的某些領(lǐng)域甚至是必不可少的。

在人手一部的手機中，高性能的釹鐵硼（Nd-Fe-B）磁體就有2個地方被使用，一是手機振動電機，另一個是手機微型電聲元件喇叭。2011年全球手機出貨量約18億臺，以每臺平均成品用量為2.5g計算，一年成品NdFe-B磁體的需求量約4 500t。圖1展示了手機中使用高性能稀土永磁體的 2個部件：喇叭和振動馬達。在喇叭中使用了薄片狀稀土永磁體，而在振動馬達中使用了中心打洞的圓柱狀稀土永磁體。

在臺式計算機和筆記本電腦中，都有一個外儲存器，即硬盤驅(qū)動器（HDD）。在硬盤驅(qū)動器中，有2個采用稀土永磁體制造的驅(qū)動元件：音圈馬達（VCM）和主軸馬達。目前采用的HDD是1.8～3.5英寸的。HDD在搜尋數(shù)據(jù)地址中依靠2個電磁器件來實現(xiàn)這個操作：主軸馬達實現(xiàn)角度位置的搜尋，而音圈馬達實現(xiàn)徑向位置的搜尋。圖2展示了硬盤驅(qū)動器中音圈馬達的結(jié)構(gòu)。可清楚地看到，主軸馬達控制硬盤旋轉(zhuǎn)，而音圈馬達控制磁頭在徑向位置上搜尋。由于體積的限制，主軸馬達通常采用無傳感器的無刷直流馬達和高能積的粘結(jié)NdFe-B磁體；而音圈馬達目前的首選磁體是高性能的燒結(jié)Nd-Fe-B磁體，其原因是HDD的空間有限，只有高能積和高矯頑力的各向異性燒結(jié)Nd-Fe-B磁體才能以最小體積的磁體來實現(xiàn)所需的轉(zhuǎn)矩，并在強的電樞電流變化下使磁體性能不受影響。

2011年全球硬盤驅(qū)動器出貨量為6.3億臺，使用的高性能燒結(jié)Nd-Fe-B磁體和粘結(jié)磁體分別為6 300t和1 300t；2012年全球硬盤出貨量降為5.4億臺，使用的高性能燒結(jié)Nd-Fe-B磁體為5 400t；2014年全球硬盤出貨量降為4.5億臺，使用的高性能燒結(jié)Nd-Fe-B磁體為4 500t。隨著閃存的固態(tài)硬盤容量的擴大和價格的下降，磁性硬盤的用量會在一定程度上下降，但由于磁性硬盤具有磁性信息不容易失去的高可靠性而遠好于固態(tài)硬盤中采用的電信息。盡管磁性硬盤的需求量最近有所下降，但它不會消失，還會長期保持足夠大的需求量。可以肯定，磁性硬盤驅(qū)動器仍然是高性能Nd-Fe-B磁體的一個大用戶。

在當(dāng)今的信息化社會中，各種計算機外圍設(shè)備和辦公自動化設(shè)備高度發(fā)展，與其配套的關(guān)鍵部件微電機需求量大，精度和性能要求也越來越高。對這類微電機的要求是小型化、薄形化、高速、長壽命、高可靠、低噪聲和高精度。在與信息相關(guān)的各種設(shè)備如打印機、軟硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動、傳真機、復(fù)印機等中所使用的驅(qū)動電機絕大多數(shù)是永磁無刷直流電動機。這些永磁無刷直流電動機都采用了高性能的Nd-Fe-B磁體，因而在辦公自動化設(shè)備中對稀土永磁材料的需求量也是很大的。

在信息傳輸中已大量使用光纖通信，其中光隔離器是必不可少的。圖3展示了光隔離器的例子。由于光纖尺寸很小，光隔離器的尺寸也很小，因而要求磁體尺寸很小。為了在磁路中產(chǎn)生足夠大的磁場，必須采用高磁能積的稀土永磁體，高性能的Nd-Fe-B磁體是光隔離器的首選磁體。

衛(wèi)星通信和衛(wèi)星廣播所用的微波管離不開低溫度系數(shù)的高溫稀土永磁材料來作為它的磁場源。在微波管中，如速調(diào)管、磁控管、行波管需要這種磁場來控制帶電粒子的運動，以便實現(xiàn)高頻或超高頻振蕩以及微波信號放大和接收的目的。

在這些器件或裝置中，磁場通常是由周期反向的聚焦磁體產(chǎn)生。這個周期反向的聚焦磁體由多個圓環(huán)形稀土永磁體構(gòu)成，相鄰2個磁體的極性相反。圖4給出了行波管中周期反向聚焦磁體剖面示意圖。為了達到行波管有效的信號放大，以及獲得足夠高的峰值磁場和高的溫度穩(wěn)定性，Sm-Co磁體是行波管的首選磁體。同樣地，大功率多注速調(diào)管的磁場系統(tǒng)，有類似的周期反向聚焦磁體，圖5左方給出了一個用于C波段大功率多注速調(diào)管實物照片，其脈沖功率達120kW，平均功率為6kW；而圖5右方是該多注速調(diào)管中所采用的周期反向永磁聚焦系統(tǒng)。

三、結(jié)語

當(dāng)今，人們正處于電子信息技術(shù)飛速發(fā)展的時代。手機、平板電腦、計算機和無線或有線網(wǎng)絡(luò)已把巨大的地球變成一個小小的地球村。人們可以通過手機、平板電腦上網(wǎng)，與世界上任何地方的人進行通話或收發(fā)短信和微信。這一切均得益于近30年電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，其中也包括了高性能磁性材料的快速發(fā)展。