稀土永磁材料在信息技术中的应用

　稀土永磁材料在信息技术中的应用

    原创  张立乔  来源： 新材料产业

  　众所周知，磁性材料中的永磁（也称硬磁）、软磁和旋磁等磁性材料是信息产业的重要功能材料。它们在包括电讯、电话、印刷、出版、新闻、广播、电视等传统的信息部门和新兴的电子计算机、激光、光导纤维、通讯卫星等信息部门中起到非常重要的作用。这些重要的功能材料应用于以电子计算机为基础的包括信息采集、传递、储存、加工和处理等信息产业中的各个方面。信息的采集需要各种各样的传感器，而利用磁效应已制造了大量的高灵敏、高精度的磁性传感器；具有旋磁特性的微波铁氧体材料在大功率微波发射和接收时作为单向传输的环行器或隔离器，是广播电视、卫星通信等信息传输的必要器件；半硬磁性或硬磁性薄膜可作为永久保存信息的磁性存储器；在信息的加工和处理过程中，计算机、扫描仪、复印机等设备都离不开由硬磁性材料制造的各类永磁马达或其它驱动装置；在信息加工和处理过程中离不开由软磁性材料制作的各种电感器、扼流圈和变压器。因此，信息产业是与磁性材料的开发和利用密切相关的一个产业。

稀土永磁材料在信息产业中的应用

　　在磁性材料中，永磁材料的主要功能在于为各种器件或装置提供一个磁场，通常在能量转换的旋转机械中作为转子，而在传感器、行波管、音响喇叭等器件和装置中作为一个恒定磁场源。在信息产业中，永磁材料已有大量的应用。表1列出了稀土永磁材料在信息产业中部分的应用领域、构成的元件和使用的稀土永磁材料。可以看到，稀土永磁材料对于信息产业来说是一种非常重要的磁性功能材料，它与现代的信息产业，特别是“三网”（电信网、电视网、互联网）以及智能电网的各个方面都有着密切的关系，稀土永磁材料在有的领域甚至是必不可少的。

　　在人手一部的手机中，高性能的钕铁硼（Nd-Fe-B）磁体就有2个地方被使用，一是手机振动电机，另一个是手机微型电声元件喇叭。2011年全球手机出货量约18亿台，以每台平均成品用量为2.5g计算，一年成品Nd-Fe-B磁体的需求量约4 500t。图1展示手机中使用高性能稀土永磁体的2个部件：喇叭和振动马达。在喇叭中使用了薄片状稀土永磁体，而在振动马达中使用了中心打洞的圆柱状稀土永磁体。

图1　手机中使用高性能稀土永磁体的喇叭和振动马达

　　在台式计算机和笔记本电脑中，都有一个外储存器，即硬盘驱动器(HDD)。在硬盘驱动器中，有2个采用稀土永磁体制造的驱动元件：音圈马达(VCM)和主轴马达。目前采用的HDD是 1.8～3.5英寸的。

　　HDD在搜寻数据地址中依靠2个电磁器件来实现这个操作：主轴马达实现角度位置的搜寻，而音圈马达实现径向位置的搜寻。图2展示了硬盘驱动器中音圈马达的结构。可清楚地看到，主轴马达控制硬盘旋转，而音圈马达控制磁头在径向位置上搜寻。由于体积的限制，主轴马达通常采用无传感器的无刷直流马达和高能积的粘结Nd-Fe-B磁体；而音圈马达目前的首选磁体是高性能的烧结Nd-Fe-B磁体，其原因是HDD的空间有限，只有高能积和高矫顽力的各向异性烧结Nd-Fe-B磁体才能以最小体积的磁体来实现所需的转矩，并在强的电枢电流变化下使磁体性能不受影响。

　　2011年全球硬盘驱动器出货量为6.3亿台，使用的高性能烧结Nd-Fe-B磁体和粘结磁体分别为6 300t和1 300t；2012年全球硬盘出货量降为5.4亿台，使用的高性能烧结Nd-Fe-B磁体为5 400t；2014年全球硬盘出货量降为4.5亿台，使用的高性能烧结Nd-Fe-B磁体为4 500t。随着闪存的固态硬盘容量的扩大和价格的下降，磁性硬盘的用量会在一定程度上下降，但由于磁性硬盘具有磁性信息不容易失去的高可靠性而远好于固态硬盘中采用的电信息。尽管磁性硬盘的需求量最近有所下降，但它不会消失，还会长期保持足够大的需求量。可以肯定，磁性硬盘驱动器仍然是高性能Nd-Fe-B磁体的一个大用户。

图2  硬盘驱动器中音圈马达的结构

　　在当今的信息化社会中，各种计算机外围设备和办公自动化设备高度发展，与其配套的关键部件微电机需求量大，精度和性能要求也越来越高。对这类微电机的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、高可靠、低噪声和高精度。在与信息相关的各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机。这些永磁无刷直流电动机都采用了高性能的Nd-Fe-B磁体，因而在办公自动化设备中对稀土永磁材料的需求量也是很大的。

　　在信息传输中已大量使用光纤通信，其中光隔离器是必不可少的。图3展示了光隔离器的例子。由于光纤尺寸很小，光隔离器的尺寸也很小，因而要求磁体尺寸很小。为了在磁路中产生足够大的磁场，必须采用高磁能积的稀土永磁体，高性能的Nd-Fe-B磁体是光隔离器的首选磁体。

图3 通讯领域的光隔离器

　　卫星通信和卫星广播所用的微波管离不开低温度系数的高温稀土永磁材料来作为它的磁场源。在微波管中，如速调管、磁控管、行波管需要这种磁场来控制带电粒子的运动，以便实现高频或超高频振荡以及微波信号放大和接收的目的。

　　在这些器件或装置中，磁场通常是由周期反向的聚焦磁体产生。这个周期反向的聚焦磁体由多个圆环形稀土永磁体构成，相邻2个磁体的极性相反。图4给出了行波管中周期反向聚焦磁体剖面示意图。为了达到行波管有效的信号放大，以及获得足够高的峰值磁场和高的温度稳定性，Sm-Co磁体是行波管的首选磁体。同样地，大功率多注速调管的磁场系统，有类似的周期反向聚焦磁体，图5左方给出了一个用于C波段大功率多注速调管实物照片，其脉冲功率达120kW，平均功率为6kW；而图5右方是该多注速调管中所采用的周期反向永磁聚焦系统。

图4 行波管周期反向聚焦磁体剖面示意图

图5 用于C波段大功率多注速调管照片（速调管长690mm,质量35kg）

　　当今，人们正处于电子信息技术飞速发展的时代。手机、平板电脑、计算机和无线或有线网络已把巨大的地球变成一个小小的地球村。人们可以通过手机、平板电脑上网，与世界上任何地方的人进行通话或收发短信和微信。这一切均得益于近30年电子信息技术的快速发展，其中也包括了高性能磁性材料的快速发展。