1、引言
由于磁性材料置于某种电磁场的作用下,将会产生诸如:磁光、磁热、磁吸收、磁化学、磁弹性、磁致伸缩、磁生物等多种物理效应和信息转换功能.人们可以利用这些不同的“效应”和“功能”转换特性制造出具有各种特殊用途的元器件,以满足不同的需要.它已在电子、电力、信息、能源、交通、新材料、生物、海洋与空间技术中得到广泛的应用.近几年来磁性材料的产量与销售额都有较大的增长.据有关资料报道和预测,1999年世界永磁铁氧体产量为45万吨、软磁铁氧体为22万吨、NaFeB永磁为1.04万吨,2000年则分别为:60万吨、30万吨、126万吨.预计2005年将分别达到1000万吨、50万吨、186吨.在21世纪的头五年、世界磁性材料的产量将以15%年平均增长速度发展.
2、一些值得人们密切关注的磁技术新的应用领域(1)在隐身技术中的应用
隐身技术是一种通过降低飞行器的电、光、热可探测特性,使防空探测设备不能早期发现的综合技术.使用隐身技术的兵器,称之谓隐身武器.
“隐身”是利用某些磁性材料在高频下具有很大的损耗和磁导率的频散特性来吸收、衰减或屏蔽电磁波,以达到不被敌方探测发现而“隐身”的目的.隐身技术是现代战争中克敌制胜的“秘密武器”,是高度机密的高新技术.许多国家都拨出巨款秘密研制,并在战争中得到实际应用.
1)“隐身飞机”:据报道已采用或正在采用的稳身飞机有:F117-A、B2、B1-B、TR-1、YF-22A、YF-23A等机型.在海湾战争中,美国采用了先进的F117-A隐身战斗机:采用后掠式机翼,翼展为12.99m、机长19.81m、高49m、携带二枚重907kg激光制导,机身由特殊材料制成多角多面体,呈椭圆尖塔形.其雷达搜索截获的面积(RCS)只有0.02m2,它综合使用了当代的技术和多种隐身材料,并装有远红外跟踪系统,可在夜间50m低空飞行,航速可达亚音速.
据透露,它采用了铁氧体吸波材料及一种叫lronBall(铁球)材料——一种能有效地减小RCS的隐身油漆.它与铁氧体基油漆类似,但比较轻而有效,其颜色从暗灰到纯黑色,不仅能吸收雷达波,也能吸收和耗散红外线.据说这种“铁球”是一种可喷涂的聚氨酯涂料,灰色液体,在40分钟内变干,无粘性、(12~24)h内变硬,其吸收特性取决于厚度.0.76mm厚的涂层,将使雷达反射减少3dB(6GHz)~13dB(18GHz).
据报道该机种曾对伊拉克上空突击而不被伊拉克雷达发现,执行任务1270架次,推毁伊军95%的重要军事目标,而该机种却无一损伤.
洛克希德高级发展公司已研制一种绝密的、有人驾驶的隐身机新型侦察机,航速为5马赫,可能成为美空军的一张王牌.
日本1994年10月《国际飞行杂志》披露,日防卫厅技术研究开发所(TRDI)已提出10亿日元(1000万美元)财政申请开发FI-X隐身机动战斗机,打算在2007年作出试验样机.
2)“隐身舰艇”:隐身舰艇对水面、特别是防御能力较弱的中小舰艇作用更大.可采用减少噪声,隐身设计(减少甲板上凸出物体等)并敷以吸收雷达波的涂料,降低热量的排散等而达到隐身.
①90年代初,瑞典研制出第一艘隐身战舰.据报道,瑞典海军在“卡尔斯克鲁纳”船厂下水一艘新型隐身战舰“斯密奇”号.该舰速度快、噪声小,并能躲避敌方雷达.其外形像一个四面倾斜的巨大鞋盒,研制历时五年,耗资7500万瑞典克朗(1340万美元).为消除对雷达辐射波的反射,不但舰体外壳和上部构造没有明显的棱角,就连甲板上的所有设备和武器也都经过特别设计(涂有吸收涂料),以避免敌人发现,平时舰上的导弹、水雷和反潜式武器都藏在舰上部隐蔽板内,到需要时,打开隐蔽板,露出武器.航行靠喷水推进,航速50nmile/h.为防止潜艇攻击,舰吃水深度小,并可保障通讯联络畅通.
②美国的第一艘隐身军舰在保密十年后,以白天航行测试的形式在加州南部海域与公众见面.据洛杉矶时报报道:这艘取名为“海影”号隐身军舰,长约50m,染成黑色的艇身,能在雷达探测屏幕上不显形的棱角形状.它停在船坞中的整体外形,恰似一架隐身飞机.
3)“隐身坦克”:由于武装直升飞机,反坦克导弹的出现对坦克的威胁很大,所以急于“隐形”.美、英、日等都对坦克和其它作战车辆作过雷达、毫米波激光照射下的特性研究,并研制了能吸收可见光和雷达波的多层伪装材料和隐形装甲.
英国曾公开展示过一种能吸收雷达波的K-RAM轻型装甲.它以芳伦纤维为基本材料,夹有雷达毫米波吸收涂层,坦克不易遭受毫米波制导武器攻击.
美国塑料坦克样车早已问世,车身用玻璃钢纤维增强塑料制成.由于成型方便,所以炮塔可以最大限度满足设计要求,重量轻,易制造,隐形效果好.
此外,已在隐形桥梁、微波暗室等方面应用铁氧体(如:NiCuZn、MgCuZn、Mu-Zn、六角晶系、羰基铁等)系列或与金属短纤维有机粘合剂等作成复合铁氧体材料.具有吸波效率高,厚度薄、频带宽、耐候性强、耐蚀持久、成本低等特点.
(2)在农业中的应用
当水以一定流速,垂直于不同强度的磁场方向流过时,则可获得不同强度的磁化水.用适当强度的磁化水处理农作物的种子、喂养家禽家畜,可提高农作物和家禽家畜的产量和质量.如有人用磁场强度为1500A/m的磁化水浸泡水稻种子、可增产(15~20)%,用2000A/m磁化水喂鸡,每只鸡多产蛋(7~9)个,且每个蛋增重15g.用3000A/m的磁化水喂猪,猪平均增重37%,用来喷洒土豆、萝卜,每亩可增产(35~40)kg.
(3)在节能方面的应用
①利用稀土永磁电机没有激磁线圈和铁心、没有损耗、不发热等特点来代替常用电动机,可缩小体积、减轻重量、提高效率.如在汽车中用永磁电机替代传统的电机,可使体积减轻40%~70%,效率提高50%以上,并可节铜节电.将电气设备中大量使用的电磁开关、电磁阀的电磁铁换成永磁体,可节电90%以上.
②利用磁悬浮原理制成新型无摩擦的轴承取代传统轴承,其能耗可降低90%以上.
③利用磁流体发电,当高温高速气流通过强磁场时,气流由于高温电离变成等离子导电流体切割磁力线而产生感应电势和电能.其发电效率比传统的水力、火力、核能发电提高(50~60)%,一个一百万kW的磁流体发电厂,年节煤可达一百万吨,造价仅为火力发电厂的1/4.
(4)在环保方面的应用
1)随着电子技术的迅猛发展以及各种通讯、家用电器、办公自动化等电子设备的日益普及应用,电磁波的辐射与泄漏问题愈来愈严重,它不仅对电子设备本身产生严重的电磁波干扰,同时威胁着人类的身心健康,已成为严重的环境污染源.研制与开发不同的磁性吸收材料做成元器件和涂料来防止电磁波辐射、信号窜扰等,以达到环境免受电磁污染的目的.
2)目前90%能源来自煤、石油和天然气的燃烧.而燃烧所产生的多种有害气体的排放会污染环境.如把磁化节油减烟器、燃油增能器用于燃油燃气设备中,在燃料未燃烧前进行磁化,促使油、氧分子链断裂雾化,使之充分燃烧,提高燃烧效率,可节油气10%左右.由于燃烧温度升高,发电机重力增加,CO、NO等有害气体排放减少(25~65)%,减烟率达50%以上.如用高梯度磁分离器,可有效地除去煤粉、煤浆中的硫化物,大量减少二氧化硫气体的排放量,脱硫率可达(80~95)%,灰分减少(30~70)%,煤的回收率可达(85~90)%.
(5)在高能武器方面的应用
1)激光炮:在激光武器系统中有许多磁光器件.如:磁光隔离器、磁光调制器、磁光环行器、磁光旋转器、磁光开关、磁光移机器等关键器件.美、俄、日等国都投入了大量的人力物人进行研制.
2)电磁炮:是利用电磁力(洛伦茨力)通过加速器将电磁能转化为弹丸的动能,并以高达(10~20)km/s的高速从发射器发出.电磁发射的推力大约为火药的10倍.所发射的炮弹速度高、射程远、精度高、穿透力强.美国已研制出两门低能样炮,将来,电磁炮的速度可能高达100km/s.
3)高功率微波武器:据报道原苏联已研制成一种专用于防空的微波武器,其辐射功率为1GW,作用距离(1~10)km,主要用来保护防空中心,并且有抗反辐射导弹的功能.整套设备重13吨,分装在三辆越野车上.该系统应用了多种磁性微波器件.
(6)在防空导弹系统中的应用
1)80年代初,美国西屋电器公司为空军主力战斗轰炸机研制了捷变技术雷达(EAR),装备B-1B和B-52型轰炸机.EAR相控阵天线使用1818个铁氧体移相变极化的辐射单元,由铁氧体移相段产生相移,再由铁氧体变极化器来实现极化转换.
2)在海湾战争中,美国“爱国者”防空导弹系统中采用了C波段相控阵雷达AN/MPQ53(SAM-D)与火控雷达相联,雷达天线是八个大小不一,形状不同,用途各异的天线阵,主天线由5161个四位锁式非互易铁氧体移相器组成,还有五个51个辐射单元的小阵列天线作为旁瓣抵消,以减少敌方干扰.在栏截伊军“飞毛腿”导弹中大显身手.现在应用铁氧体移相器的相控阵雷达有几十种,采用频段有S、C、X、Ku波段.
(7)在交通运输方面的应用
由于超高磁能积稀土永磁体和室温超导体的出现,研制出新一代交通运输工具.
1)磁悬浮列车:磁悬浮列车,是借助于磁力来悬浮、导引与驱动车辆.其特点是它没有车轮,而依靠电磁作用力把车辆悬浮在导轨上方,行走时,除与空气磨擦外,没有轮接触所带来的阻力.其推动力为直线电机,在高速行驶时,就像一架超低空飞行的飞机.时速可达(500~1000)km.由于磁悬浮列车无机械接触、噪声低、速度高、安全、平稳、不污染环境、节省能源,所以是一种理想的绿色交通工具.
2)日本制成时速180kg的第一艘超导试验船,该船没有螺旋浆,由超导磁力推进,船身30m,重280吨,时速比现在最快的运输船快一倍.
3)德国一家公司开发了一种利用永磁体的磁力运输、提升人、煤、矿石并可混装的运输系统,可以避免燃烧爆炸等事故.
(8)在医疗技术方面的应用
生物磁学是研究了与应用物质磁性及磁场生物特性,生命之间的关系及其相互影响,以及它们之间规律特性的科学.
应用不同强度或不同类型的磁场,对生物体会引起不同的反应.实验证明,磁场可以作为形成各类条件反射的因素,同时也可形成抑制其它条件反射的抑制刺激.
目前已探测到人体具有心、脑、神经、眼、视网膜、肌、肝、腹、肢及头皮等磁场.所以可以利用磁场作用治病.例如,磁场具有镇痛作用,镇静解痉作用、消肿作用、降压作用、降脂作用、止泻作用等.
国外应用磁性液体与磁控技术对有的疾病治疗取得进展.
1)作为手术载体-将磁性液体注入到动脉血管,再用外加磁场将磁性液体吸引到给供肿瘤血液的入口处,在该处形成“血栓”切断对肿瘤血液的供给,使肿瘤枯萎,坏死,脱落.美国有治疗肾上肿瘤与舌癌的成功事例.
2)作为药物载体-将磁性液体作为药物的载体,治疗肿瘤,国外有治疗胃溃疡和动脉瘤的病例.
3)作为穴位的刺激因子-用永磁粉末做成磁注射剂,注入到小白鼠有关穴位,然后充磁,设想通过对穴位的刺激作用,调整神经机能,达到治疗作用等.
近年来,我国市售的磁疗程保健用品,磁腰带、磁瘦身(减肥)机,磁鞋,磁增高器等到处可见.随着磁疗机理的进一步了解和应用,磁疗保键用品将有宽广的市场.
(9)在微型技术中的应用
随着电子产品向小型化、轻量化、高稳定、高可靠方向发展,微波/毫米波器件应用范围日益扩大,各种小型平面器件,如磁性薄膜器件、毫米波微带铁氧体器件、鳍线铁氧体器件、磁性集成器件以及与MIMIC电路相匹配的新的铁氧体元器件将不断研制和开发出来,并有其广泛的应用前景.
(10)纳米磁性技术的研究与兴起
纳米技术是指在纳米(1nm=10-9m)尺度范围内认识和改造世界的一门崭新的综合性科学技术.最近经理论计算与实验测定证明了某些原子团簇的磁性与大块材料或单个原子的磁性不同.值得注意的是非磁性的固体当维数减小到以团族形式存在时,将呈现出铁磁性.这将给铁磁理论和磁性应用带来突破性的进展.实验表明,纳米材料在力、热、光磁、吸波和敏感等方面具有比通常结构下的同成份材料特殊得多的性能.
1)理想的吸收材料:纳米材料远小于红外及雷达波波长,其透波性和对电磁波的吸波效率比粗粉或块状物大得多,粒度越细,吸波越好.纳米磁性材料磁损大,因而用来制作红外检测元件、红外吸波材料.采用金属、铁氧体等超微粉与聚合物形成的O-3型复合材料和采用多层结构和2-2型复合材料可衰减电磁波和声波,减少反射和散射,在电磁“隐身”应用方面取得良好效果.
2)新型的磁记录材料:粒径为16nm的超微铁粉的矫顽力(HC)比块状铁的HC高1000倍,用(2~3)nm尺寸的γFe2O3作存储器,将比现有的磁介质的存储器密度提高1万倍.目前国内外正在研制典型的纳米级六角晶系钡铁氧体的垂直磁记录介质.纳米磁记录材料不仅可以获得高的HC,而且可获得均匀的薄磁层,表面光滑、信噪比高.
3)纳米巨磁阻(GMR)材料:它与高温超导类似,它将对信息技术、汽车制造技术产生深远影响.利用GMR可使计算机磁盘存储能力提高30倍,即可使每平方英寸计算机磁盘信息存储能力增加到100亿位.可用这类材料做汽车上的防抱死系统中的传感器,以及用来测定汽车发动机曲轴的速度,以节约燃料和减少废气的排放等.
据报道,巨磁阻效应高密度读出磁头的市场估计为10亿美元.目前已进入大规模的工业生产.磁随机存储器的市场估计为1千亿美元,预计不久将投入生产.磁电子传感器的应用市场也十分宽广. 4)纳米晶巨能积复合永磁材料:1988年日本已研制出纳米级软磁材料“Finement”,它具有铁基非晶体材料的高饱和磁化强度及钴基非晶材料的优良高频特性,在开关电源、磁放大器、高频变压器、抗电磁滤波器(EMIF)等中得到应用.最近提出一个创新的纳米晶复合交换耦合巨能积永磁材料的设想.由于软磁材料的饱和磁化强度Ms高,但矫顽力(HC)小,而永磁材料HC大而Ms小,如能将这两种材料复合在一起,通过相界之间的交换耦合,在纳米范围内复合而成一种新型永磁材料.这类永磁材料磁能积的理论值可达106J/m3,称之谓“兆焦尔磁体(MgeauleMegnets)”.
5)纳米磁流体:它是采用纳米磁粉与一种液体均匀混合而成的胶状液体,它兼有磁性固体和液体的特点,可用于轴承制动系统作磁液传感器,可用于高灵敏度测量和非接触式测量等.
6)目前,美国已发明了携带纳米药物的芯片,放入人体,它能引导药物集中到患处提高疗效.德国医学家成功地将磁性纳米粒子用葡萄糖分子包裹注入肿瘤部位,使肿瘤部位完全被磁场封闭,然后通电加热到47℃,将癌细胞慢慢杀死,而丝毫不影响周围的正常组织.
