量子慣性儀表用磁屏蔽材料進(jìn)展

楊 鋒，胡 健，李 冉，朱 弢，李海鵬

（鋼鐵研究總院，北京100086）

0 引言

量子慣性儀表利用光場(chǎng)和磁場(chǎng)等技術(shù)手段操控原子和電子實(shí)現(xiàn)載體轉(zhuǎn)動(dòng)信息和線運(yùn)動(dòng)信息的精密測(cè)量，具有超高精度等特點(diǎn)，是下一代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心儀表，在戰(zhàn)略武器裝備和科學(xué)研究等軍民領(lǐng)域具有重大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價(jià)值，已成為世界各國(guó)慣性技術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)［1］。量子慣性儀表的工作原理決定了其必須工作在穩(wěn)定的磁場(chǎng)環(huán)境中，利用磁屏蔽消除外界磁場(chǎng)干擾是量子慣性儀表的關(guān)鍵技術(shù)之一［2］，高性能磁屏蔽裝置的研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)高精度量子慣性儀表具有重要意義。

主動(dòng)式磁屏蔽、被動(dòng)式磁屏蔽和超導(dǎo)磁屏蔽是目前應(yīng)用的三種磁屏蔽方式，其適用范圍和特點(diǎn)各有不同。其中，被動(dòng)式磁屏蔽由于屏蔽系數(shù)高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在量子慣性儀表領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。鐵鎳合金、非晶態(tài)合金以及鐵氧體是被動(dòng)式磁屏蔽中所涉及的三種材料，這三種材料特性不同，適用范圍不同，未來(lái)發(fā)展方向也有所不同。

1 量子慣性儀表用磁屏蔽材料

式（1）中，S0為屏蔽系數(shù)，μ為屏蔽材料磁導(dǎo)率，d為空心圓筒壁厚，γ為球殼內(nèi)半徑?？梢钥闯?，磁屏蔽效果主要取決于材料磁性能和磁屏蔽結(jié)構(gòu)。從材料角度來(lái)講，主要取決于材料的磁導(dǎo)率。目前，采用的磁屏蔽材料主要有高導(dǎo)磁鐵鎳合金、非晶合金和鐵氧體軟磁材料等。

1.1 高導(dǎo)磁鐵鎳合金

鐵鎳系合金在磁屏蔽材料中占有特殊且重要的地位，這與該種合金具有下列特點(diǎn)密不可分［9］：1）鐵鎳合金在弱磁場(chǎng)中具有高的導(dǎo)磁率和低的矯頑力；2）通過(guò)調(diào)整成分、調(diào)整工藝，可以在很寬

由于磁屏蔽對(duì)于量子慣性儀表的重要影響，國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了高精度磁屏蔽技術(shù)研究。北京航空航天大學(xué)的董全林等［3］研究了線圈結(jié)構(gòu)對(duì)于磁屏蔽效果的影響，并成功將研究結(jié)果用于量子儀表中。中科院物理研究所的王俊平等［4］研制了一種YBCO（釔鋇銅氧）超導(dǎo)磁屏蔽筒，降低了磁強(qiáng)計(jì)的噪音，提高了系統(tǒng)整體靈敏度。美國(guó)Princeton大學(xué)的Kornack等［5］通過(guò)將Fe-Ni合金和鐵氧體結(jié)合，制備了被動(dòng)式磁屏蔽裝置，內(nèi)部磁場(chǎng)噪音大大降低。目前，磁屏蔽主要采用三種方法：1）主動(dòng)式磁屏蔽采用線圈抵消外界磁場(chǎng)，該方法可抵消靜磁場(chǎng)，但抗干擾性差；2）被動(dòng)式磁屏蔽采用高導(dǎo)磁材料形成屏蔽殼體，將磁力線約束在屏蔽殼體內(nèi)從而達(dá)到屏蔽的目的；3）利用超導(dǎo)的Meisner效應(yīng)，將磁力線排除在屏蔽體外。三種方案各有利弊：主動(dòng)式磁屏蔽成本較低，可用于大型零磁空間的構(gòu)造，但抗干擾性差；超導(dǎo)Meisner效應(yīng)排除了外部磁力線的同時(shí)，內(nèi)部磁力線也會(huì)被固化在內(nèi)部，形成磁場(chǎng)噪音；被動(dòng)式磁屏蔽屏蔽效能高，內(nèi)部磁場(chǎng)穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體成本高。三種屏蔽中，目前應(yīng)用最多的還是被動(dòng)式磁屏蔽，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高了磁屏蔽性能［6-8］。

從傳統(tǒng)的磁屏蔽角度而言，忽略內(nèi)部電子熱運(yùn)動(dòng)內(nèi)部磁噪音，定性分析磁屏蔽效果，對(duì)于由磁屏蔽材料組成的單層空心球體，可以采用以下近似公式范圍內(nèi)控制合金的磁性能，除了弱磁場(chǎng)下的高導(dǎo)磁合金外，還可制成高磁感高導(dǎo)磁、低損耗高導(dǎo)磁、低溫高導(dǎo)磁、高硬度高導(dǎo)磁等多種鐵鎳合金，在現(xiàn)有磁屏蔽材料中性能最為多樣；3）具有良好的冷熱加工性能，由于鐵鎳合金具有高的初始磁導(dǎo)率、低矯頑力，同時(shí)加工性能優(yōu)異，在高精度磁屏蔽中得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外高精度磁屏蔽均采用鐵鎳系軟磁合金，但牌號(hào)不同：我國(guó)采用高導(dǎo)磁1J79或1J85系列軟磁合金，法國(guó)采用Mumetal或 Permimphy系列，美國(guó)采用 Mumetal、Supermalloy或HyMu系列，英國(guó)采用 Mumetal或Supermetal系列，俄羅斯采用80HXC系列，屏蔽性能相當(dāng)。鐵鎳合金制備通過(guò)傳統(tǒng)的冶金過(guò)程，歷經(jīng)冶煉、鍛造、軋制而成，通常以帶材和棒材形式存在，具體如圖1所示。

圖1 鐵鎳合金帶材及軋制設(shè)備Fig.1 Diagram of Fe-Ni alloy strip and strip mills

1.2 非晶態(tài)合金

20世紀(jì)70年代，非晶態(tài)金屬的研制成功為高精度磁屏蔽研制增加了更多選擇。非晶態(tài)金屬采用極冷快淬的工藝進(jìn)行制備，其設(shè)備如圖2所示。合金在冷卻過(guò)程中來(lái)不及結(jié)晶，形成長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸較小，僅為10nm左右，因此具有極低的磁晶各向異性常數(shù)K，同時(shí)可以通過(guò)調(diào)整化學(xué)合成和熱處理工藝使合金的飽和磁滯伸縮系數(shù)λs也趨近于零。以上特點(diǎn)使得非晶態(tài)金屬具有優(yōu)異的軟磁性能，同時(shí)該材料對(duì)應(yīng)力相對(duì)不敏感，適合于高質(zhì)量的磁屏蔽［10］。

目前，研制的非晶態(tài)金屬主要是鐵基非晶、鈷基非晶、鐵鎳基非晶和鈷鎳基非晶。非晶態(tài)金屬的初始磁導(dǎo)率為

圖2 非晶態(tài)合金及快淬設(shè)備Fig.2 Diagram of amorphous alloys and its quench equipment

式（2）中，Ms為材料的飽和磁化強(qiáng)度；Keff為有效各向異性常數(shù)，主要包括磁晶各向異性常數(shù)、磁致伸縮各向異性常數(shù)、熱磁各向異性常數(shù)和感生各向異性常數(shù)等［9］。

可見(jiàn)，要獲得較高的初始磁導(dǎo)率μ0，就要求Ms較高，且Keff盡可能低。對(duì)于非晶態(tài)合金，主要是由飽和磁滯伸縮系數(shù)λs起作用，鈷基非晶的λs≤1×10-6，因而具有較好的軟磁特性，即初始磁導(dǎo)率μ0較高。通過(guò)在主成分Fe、Co、Si、B中添加不同微量元素V、Ni、Cr、Mn、Ta等，調(diào)整飽和磁滯伸縮系數(shù)λs，可以同時(shí)改善磁性和穩(wěn)定性。目前，研制的鈷基非晶的λs≤3×10-7，初始磁導(dǎo)率高達(dá)200mH／m以上，最大磁導(dǎo)率高達(dá)650mH／m以上。

鈷基非晶雖然磁屏蔽性能優(yōu)異，但由于受快冷工藝的影響，很難形成任意形狀的結(jié)構(gòu)。通常只能以帶材的形式存在，寬度和厚度都有一定范圍，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。日本日立公司率先將非晶材料和聚酯薄膜復(fù)合，形成可粘貼的機(jī)械復(fù)合材料，方便使用的同時(shí)具有一定的屏蔽效能。國(guó)內(nèi)的鋼鐵研究總院積極開(kāi)展了高導(dǎo)磁鈷基非晶和聚酯薄膜復(fù)合研究，并將其用于相關(guān)型號(hào)，形成的雙層屏蔽結(jié)構(gòu)大大提高了屏蔽性能。但由于鈷基非晶熱處理后的塑韌性較差以及不干膠粘連機(jī)械連接的方式，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐高低溫特性仍有待進(jìn)一步改善。同時(shí)，對(duì)于復(fù)雜形狀的磁屏蔽殼體，復(fù)合材料和基體的貼合仍存在較大困難。

1.3 軟磁鐵氧體材料

與上述兩種材料相比，軟磁鐵氧體由于磁導(dǎo)率相對(duì)較小、剩磁較大，以前很少在高性能磁屏蔽研究中進(jìn)行應(yīng)用，通常用于中高頻磁屏蔽和吸波材料。隨著磁屏蔽研究的不斷深入，當(dāng)磁屏蔽內(nèi)部磁場(chǎng)達(dá)到fT量級(jí)時(shí)，傳統(tǒng)的軟磁合金由于電子熱運(yùn)動(dòng)帶來(lái)了磁場(chǎng)噪音，無(wú)法進(jìn)一步提高磁屏蔽性能。Lee等［11］通過(guò)理論推導(dǎo)得到了鐵鎳合金屏蔽筒自身由于電子熱運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的磁場(chǎng)噪音的公式

式（3）中，δBcurr為電子熱運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的磁場(chǎng)本底噪音，μ0為真空磁導(dǎo)率，k為Boltzmann常數(shù)，T為溫度，σ為電導(dǎo)率，t為屏蔽殼體厚度，a為屏蔽筒半徑，G為比例常數(shù)，和結(jié)構(gòu)相關(guān)。屏蔽體本身的磁場(chǎng)噪音δBcurr對(duì)于不同材料的比例常數(shù)有所不同，但都和成正比。因此，低電阻率的軟磁鐵氧體進(jìn)入到人們的研究視線中。美國(guó)Princeton大學(xué)將軟磁鐵氧體用于磁場(chǎng)屏蔽，成功將磁場(chǎng)噪音降低到了 0.16fT［5］。

軟磁鐵氧體屬于陶瓷性質(zhì)的半導(dǎo)體，其電阻率為金屬的106～1012倍。鐵氧體一般采用氧化物粉末壓型后燒結(jié)而成，其相關(guān)設(shè)備及產(chǎn)品如圖3所示。鐵氧體制備的工藝流程為典型的粉末燒結(jié)工藝：配料→球磨→壓制成型→燒結(jié)。其種類較多，分為Ni-Cu-Zn、Mn-Zn、Ni-Zn、Mg-Zn、Li-Zn以及六角晶系等多種鐵氧體［8］。其中，Mn-Zn鐵氧體由于初始磁導(dǎo)率較高，已成為量子慣性儀表磁屏蔽主要使用的材料。

圖3 鐵氧體環(huán)及大型壓機(jī)制備設(shè)備Fig.3 Diagram of ferrite ring and hydraulic press

2 發(fā)展趨勢(shì)分析

鐵鎳合金具有高磁導(dǎo)率和加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，在磁屏蔽中被廣泛應(yīng)用。軟磁鐵氧體具有高電阻和低噪音等特點(diǎn)，在fT量級(jí)以下的低噪音磁屏蔽中得到應(yīng)用。未來(lái)的研究重點(diǎn)主要集中在上述兩種材料的改進(jìn)和進(jìn)一步發(fā)展。

2.1 鐵氧體發(fā)展分析

目前，量子慣性儀表研究中所采用的鐵氧體均為現(xiàn)有成熟的Mn-Zn鐵氧體。鐵氧體采用粉末燒結(jié)工藝，一般用于制備小型元器件，大型元器件的制備難度較大。美國(guó)Princeton大學(xué)的Romailis教授率先采用了將多個(gè)鐵氧體環(huán)拼接為整體磁屏蔽筒的方案，由于拼接方案的使用，不可避免地會(huì)降低整體屏蔽系數(shù)，同時(shí)會(huì)影響內(nèi)部磁場(chǎng)的均勻性。后續(xù)，大型薄壁鐵氧體器件將成為重點(diǎn)研究方向。

磁屏蔽系數(shù)和材料的磁導(dǎo)率密切相關(guān)，磁導(dǎo)率直接影響著磁屏蔽的性能。因此，不斷提高鐵氧體磁導(dǎo)率是鐵氧體作為磁屏蔽材料的永恒主題。同時(shí)，鐵氧體用于內(nèi)部磁場(chǎng)的最終屏蔽，其復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率直接影響著內(nèi)部磁場(chǎng)噪音，在提高實(shí)部磁導(dǎo)率的同時(shí)，需要降低虛部磁導(dǎo)率。

2.2 鐵鎳合金發(fā)展分析

鐵鎳合金是一種傳統(tǒng)的高性能磁屏蔽材料，其性能可以通過(guò)調(diào)整化學(xué)成分和工藝進(jìn)行優(yōu)化。在高性能量子慣性儀表磁屏蔽需求的牽引下，鐵鎳合金可以進(jìn)一步得到改進(jìn)。鐵鎳合金為金屬，整體電阻率較低，可以通過(guò)調(diào)整化學(xué)成分和后續(xù)工藝，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)改變鐵鎳合金的電阻率，從而得到兼顧電阻率和磁導(dǎo)率的鐵鎳合金。鐵鎳合金的磁導(dǎo)率并不是恒定不變的，它隨溫度和壓力的變化而變化。而磁導(dǎo)率和磁屏蔽系數(shù)密切相關(guān)，從而導(dǎo)致內(nèi)部磁場(chǎng)發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而影響整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。后續(xù)需要研究溫度、壓力和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、磁性能之間的相互關(guān)系，最終得到溫度和應(yīng)力穩(wěn)定性更高的鐵鎳合金。

3 結(jié)論

隨著量子慣性儀表研究的不斷深入，與之密切相關(guān)的磁屏蔽材料也得到了相應(yīng)發(fā)展。Mn-Zn鐵氧體在量子慣性儀表磁屏蔽的應(yīng)用有效地降低了內(nèi)部磁場(chǎng)噪音。隨著量子慣性儀表的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有磁屏蔽材料提出了越來(lái)越高的要求。在新型高效磁屏蔽材料出現(xiàn)以前，后續(xù)工作的重點(diǎn)在于改進(jìn)現(xiàn)有磁屏蔽材料。對(duì)鐵氧體而言，要提高實(shí)部磁導(dǎo)率，降低虛部磁導(dǎo)率；對(duì)傳統(tǒng)的鐵鎳合金而言，要改進(jìn)其溫度和應(yīng)力穩(wěn)定性，以此滿足不斷發(fā)展的量子慣性儀表和導(dǎo)航的應(yīng)用需求。