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第24章 磁特性及磁性材料揭秘(2)

世界科技前进的步伐常常是超乎人们想象的,为什么能在20世纪80年代出现实用化的手机呢?其中的一个重要因素就是电路中不可或缺的元件——变压器和电感器片式化了,这种既小,又薄又轻,从量到质的变化,促成了手机的发明,加速了当代通信的革命!

随着微电子电路、表面贴装(SMT)技术的采用和不断发展完善,具有轻、薄、短、小、性能可靠、易于装配等特点的片式元器件得到了迅速发展。在三大无源元件中的电阻器和电容器的片式化技术发展十分迅猛,已达到大批量生产和应用阶段,而电感器包括变压器、线圈、扼流圈以及与电感器相关的复合元件,因受传统的绕线工艺局限,片式化的工艺难度大,故起步较晚。为适应电子技术发展的需要,从20世纪70年代末开始,一些发达国家投入大量人力物力来研究电感器片式化技术,从而使片式电感器产品也蓬勃发展起来。手机新功能不断增多,手机与消费类电子、电脑的结合将是未来的两大趋势,手机也许将会取代PC而成为技术竞赛的一个新舞台。为应对这种变化,小型化(0201,即尺寸长度为2mm,宽度1mm,厚度1mm)、集成化、高频、高容的电子元件将被广泛应用,而且随着贴装密度的增加,片式元件的使用量将大量增加,3G手机上MLCC、Chip-R,片式元件将由平均300多只增长到600多只,片式电感的用量将会增加一倍达到60只以上。

信息技术的迅猛发展,手机的小型化理所当然要求元件进一步小型化。

五、永磁,一颗永远跳动的心

无需在线圈中输入电流即可获得磁性的永磁体可用于产生强磁场,因而它们应具有一个强的静磁化强度,是铁磁性的或亚铁磁性的材料。很重要的一点是,在外磁场存在时,磁化强度应是稳定的。上述两个条件指出,B-H磁滞回线应分别有大的剩余磁感应Br和矫顽力Hc。永磁体的矫顽力范围为104~106A/m。

永磁体大量应用于电动机、发电机、扬声器、轴承、紧固件和传动装置(如在硬盘驱动器中定位)。目前在永磁体市场中,硬磁铁氧体市场份额萎缩,钴稀土永磁体和Nd2Fe14B永磁体市场份额则在增长。而各种特殊的硬磁体,如机械性可延展的和半硬的磁体也存在较小的市场。但不能忽视的是,用于信息储存的磁记录介质包括带和碟,也都以永磁体为基础。

稀土资源是我国的宝贵财富。有人说:“中东有石油,中国有稀土”,这两者都对世界经济具有不容忽视的影响。这说明我国确确实实具有得天独厚的稀土资源优势,这也牵动着几代中国科技工作者的心。

一些常用永磁体M-H回线第二象限的形状比较,铝镍钴是一个极端,它的剩磁很大,而矫顽力相当差;另一极端是钴-铂,它虽有弱的剩磁,但有相当大的矫顽力。

在当今世界各国所生产的烧结钕铁硼材料中,其中57%用在电脑的磁盘信息存取装置上,资料上一般表明用于VCM,这是英文Voice Coil Machine的缩写,意为音圈电机。这当然是随着电脑产业本身的发展而发展起来的,但作为电机来看,则因为使用了近代永磁材料,才能够做得那么小巧而精致。

在医疗器具方面,永磁材料不断开辟新的应用领域。据有关报导,用人造的血泵辅助或代替心脏泵血功能的技术有重要的临床价值。部分代替心脏功能称为“心脏辅助”,完全代替心脏功能称为“人工心脏”,这两种装置本质上都是高性能的机械泵。

作为辅助心脏工作的血泵已有商品上市,称为“血流泵”。这是一种离心泵,泵的转子由滚珠轴承支撑,转子底面布置着平板式永磁磁性联轴节的从动边,联轴节主动边布置在泵头壳体的外面,马达驱动联轴节主动边,从动边跟随旋转,带动泵的转子工作。这种结构保证了血液对外界的密闭流动。人们真诚地期待:永磁,成为一颗永远跳动的心!

比当年开发包钢晚一代的科技人员,在稀土永磁材料的开发及其产业化方面,和前人一样干得十分出色。经过几代人的努力,我国现在已是世界上的永磁材料生产大国,是被誉为“永磁王”的钕铁硼永磁的发明国之一。1999年我国仅烧结钕铁硼一项产品就生产了5000吨,约占世界当年产量的40%。21世纪,中国将成为世界钕铁硼永磁材料生产及开发的基地与中心。

六、微波技术的一大突破

上世纪中叶,微波技术中的一大突破是微波铁氧体的发现。利用在直流磁场和微波场共同作用下呈现出的旋磁效应,制成了微波铁氧体器件,如环行器、隔离器等。在第二次世界大战中,解决了雷达设备的级间隔离、阻抗以及天线共用等一系列实际问题,极大地提高了雷达系统的战术性能,成为其中的关键和致命器件。其后微波铁氧体器件技术获得了飞速发展,80%以上都用在军事上,如精密制导雷达、舰载雷达、机载及远程警戒预警雷达、导航和炮瞄雷达等所采用的相控阵天线。在近年的海湾战争中,美国威力显赫的“爱国者”导弹主要依靠了相控阵雷达技术,而铁氧体移相器则是相控阵技术的关键元件之一。在AV/MPQ导弹系统中使用了5161个X波段铁氧体移相器,它可以同时监视100个目标,跟踪8个目标,并能同时制导8枚导弹。冷战结束后,美、俄等国家也都实行了“军转民”战略,微波铁氧体器件开始大量向民用方面转移,所以在卫星通信、微波通信、微波能应用、工农医疗等方面获得了广泛应用,市场日益扩大。

铁氧体是微波系统中经常用到的各向异性材料,它是呈黑褐色的陶瓷,相对介电系数为10~20,电阻率很高(大于l06W·cm),因而微波损耗很小。铁氧体是非线性、各向异性的磁性材料,其磁导率与外加磁场有关,并呈现非线性,在恒定磁场下,铁氧体在不同方向上的磁导率不同(各向异性)。在微波系统中常用的铁氧体材料主要有镍-锌、镍-镁、锰-镁铁氧体以及钇铁石榴石(YIG)等。铁氧体的磁导率随外加磁场而变,为非线性张量磁导率。铁氧体对于微波电磁场呈现铁磁谐振、谐振吸收性,在各个方向上的磁导率是不同的(各向异性)。在恒定的偏置磁场下具有法拉第极化旋转效应等非互易特性。

利用微波铁氧体的上述特性,可以做成各种具有非互易特性的微波元件,广泛应用于雷达、通信、电子对抗、微波测量等设备中,环行器是一种非互易的多分支传输元件,Y型环行器是其中最常用的一种。Y型环行器由三个以120度夹角对称配置的分支构成,其中心结区放置一个圆形磁化铁氧体,恒定偏置磁场H,其方向与圆形磁化铁氧体的轴线平行。环行器的功能是使微波功率单向循环传输,如从端口①输入的微波功率将全部从端口②输出,即①→②,同样有②→③和③→①,而相反的方向是被隔离的。

随着移动通信技术的不断发展,要求所用环行器/隔离器具有低插入损耗、高隔离度、宽频带、高功率、高温度稳定性、小型轻量以及低成本,尤其是用于手机中的环行器,小型轻重与低成本显得尤其重要。手持式数字电话系统的环行器/隔离器同样是用做天线共用器和发射功率放大器输出隔离去藕。

七、奇异的磁性液体

国际空间站上的航天员正在研究一种奇怪的液体,它可在机器人的“血管”中流动,这种液体还能帮助建筑物抵抗地震。如果不是亲眼看到的话,你可能不会相信这一切:一滴灰色的水从一个烧杯中流出,当它正流向桌子,但是还没有到达桌面时,空中发出一阵低沉的声音,这是有人接通了电磁铁。这时,这滴水颤动着,变得很黏稠。当电磁场作用停止,嗡嗡声逐渐平息后,这滴水又恢复原样,流向桌面。这是怎么回事?原来它被磁化了!这种液体被科学家们称为“磁流变液”(Magneto-Rheological Fluids,MRF)。它可以在磁场的作用下黏度加大,改变形状或形态。

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