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磁信息材料的特点与应用
[发布日期:2017-03-07  点击次数:4458]

磁信息材料是用磁学方法存储和记录信息的磁载体材料。按所采用的磁学原理和方法不同分为矩磁性存储、磁泡存储、磁记录和磁光记录。磁存储是随着计算机的兴起而发展起来的,磁记录则是从录音开始,接着扩展到录像和数码,形成了广阔的磁信息技术领域,磁信息材料在当代信息社会中有着广泛而重要的应用。

1 磁记录头材料

磁记录头由于要不断改变磁场方向,因此采用软磁材料,它具有高导磁率,高饱和磁化强度,低矫顽力,高力学强度,高电阻率等特点。在记录过程中磁头将电信息转换为磁信息,在重放过程中将磁信息转换为电信息的磁器件。对磁头材料的主要要求是:

(1)高的磁导率μ,以提高磁头灵敏度,增加磁头气隙磁场;

(2)高的饱和磁极化强度μ0Ms,以提高磁头气隙磁场;

 (3)低的矫顽力Hc,以减少磁滞损耗。

目前应用和研究的磁头材料有:

(1)铁氧体热压多晶材料和单晶材料,因其电阻率高,可使用块体材料,其中(Mn,Zn)Fe2O4系材料饱和磁化强度和磁导率较高,应用较广;(Ni,Zn)Fe2O4系材料的电阻率较高,可应用于更高频率磁记录(如录像)。

(2)金属磁头材料,主要有硬度高的Fe-Ni-Nb(Ta)系硬坡莫合金和Fe-Si-Al系合金。

(3)非晶磁头材料,具有电阻率较高,无磁晶各向异性和无晶粒间界等优点,主要有Fe-B(Si,C)系,Fe-Ni(Mo)-B(Si)系,Fe-Co-B(Si)系和Fe-Co-Ni-Zr系等非晶体磁头材料。由于非晶磁性材料无晶界,故能避免磁头尖部的脱落,磁头和磁带的摩擦磁噪音也比一般磁头小,音响效果优良且使用寿命长。

2 磁记录介质

磁记录是利用磁性原理输入(写入)、记录、存储和输出(读出)声音、图像、数字等信息的技术。磁记录介质由硬磁材料构成,对于磁记录介质材料的主要要求是:适当高的矫顽力Hc以利抵抗环境磁干扰;高的饱和和磁极化强度μ0Ms,以获得高的输出信息;高的剩磁比Mr/Ms,可减小自退磁效应,提高记录效率;陡直的磁滞回线,以减小输出脉冲宽度,提高记存信息分辩率;并要求有高的稳定性。如今人们广泛使用的磁带、磁盘、磁卡就属于磁记录介质。目前已经应用和尚在开发的磁记录介质分为铁氧体和金属两大类,或分为磁粉和连续磁膜两大类,包括下面几种磁性材料:

(1) γ-Fe2O3Co或掺Co的γ-Fe2O3磁粉,是目前应用最广的磁记录材料。

(2) CrO2磁粉,其磁特性如矫顽力、饱和磁化强度、剩磁比和磁晶各向异性常数都较高,但居里点低(120),制备过程中又需高温、高压、催化剂等条件,阻碍其应用。

(3)金属磁膜在一般磁记录中主要有Fe磁膜和Fe-CoDU磁膜两种,前者饱和磁化强度较后者高,但矫顽力较后者低。

(4)Co-Cr系磁膜具有高的垂直(膜面)各向异性,适宜于在垂直记录中应用。

(5)近年来,离子(M)代换的Ba(M,Fe)12O19系磁粉研究较多,既可应用于一般磁记录中,又可应用于垂直磁记录中。

3 矩磁材料

磁滞回线接近矩形和矫顽力低的磁性材料,称为矩磁材料。 矩磁材料制成的磁芯或磁膜可以组成计算机的内存储器,它利用矩磁材料的矩形磁滞回线的两个稳定的剩磁状态构成计算机二进位制的“0”和“1”双稳态,再利用脉冲磁场存取信息。其主要磁参量要求是:①矩形比R=Br/Bs高,以保证高的信/噪比;②矫顽力Hc低,以降低驱动电流;③开关时间ts短,即要求反磁化速度高,以提高信息存取速度;④各项磁参量对各种环境因素有高的稳定性。矩磁材料已经大量应用的有常温的Mg-Mn系铁氧体和宽温用的Li-Mn系铁氧体(都为尖晶石型铁氧体),以及Ni-Fe系合金薄膜。它们具有非易失性和抗辐照的优点。

4 磁泡材料

磁泡材料是指在一定外加磁场作用下具有磁泡畴结构的磁性薄膜材料⑵。当外加磁场增加到某一程度时,磁性晶体的一些磁畴便缩成圆柱状,其磁化强度与磁场方向相反,像一群浮在膜面上的小水泡(称为磁泡)。圆柱状的磁畴利用液相外延的方法在[111]方向生长的磁性石榴石单轴磁晶各向异性,其易磁化轴垂直于膜面,薄膜厚度约为几微米,对可见光是透明的。利用偏光显微镜可以清楚观察到薄膜中的畴形,未加外磁场时呈迷宫状畴,由明暗相间的条状畴构成,两者的面积大体相等,当外加磁场增加时,磁化方向和磁场方向相同的磁畴变宽,磁化相反的畴形变窄,磁场再加强时,那些变窄的反向磁畴就要缩成分立的柱形畴,磁泡存储是利用磁泡材料中磁泡的有或无表示“1”或“0”,实现信息的存储。控制磁泡的产生、清除和检出以实现信息的写入和读出。

其主要要求是:①品质因数高,这是磁泡畴的稳定条件,Ku和μ0Ms2分别是磁泡材料(薄膜)的垂直磁各向异性常数和饱和磁化强度;②磁泡畴壁矫顽力Hc低,以减小驱动磁场和功率;③磁泡畴壁迁移率μw高,以提高磁泡传输信息的速度;④要求磁泡各磁参量对温度、时间、振动等环境因素的稳定性高。磁泡存储器容量大、体积小、无高速运动的机械部分,但速度慢、性能不够稳定,目前只是处于研制和试用阶段。可用作磁泡的材料主要有石榴石型稀土铁氧体系、Tb-Fe系、Gd-Co系非晶磁膜、钙钛石型铁氧体系等。

5 磁光存储材料

磁光存储材料能使光在磁场作用下改变它的传输和反射方向。如克尔磁光效应是指线偏振光入射到施加磁场的磁性材料表面反射出去时,偏振面发生旋转的现象,偏振角旋转的大小和方向也与磁场强度、材料磁性和磁场方向有关。应用较多的磁光存储材料主要有锰铋系磁膜和Tb-Fe系、Cd-Co系非晶磁膜材料。磁光存储正是利用磁光效应对信息进行存取:将偏振光束投射到加有写入磁场的磁光材料上,受光照射部分矫顽力降低,材料的磁化方向将与写入磁场的方向相同,这样便将代表不同写入磁场方向的“0”或“1”信息存入磁光存储器,当光移开后,矫顽力增大,使存储的信息不易丢失;要读出信息时,只要将偏振光束照射到信息点上,因信息点处的磁化方向不同,反射光的旋转角方向也不同,由此就可知该点存储的代码。

信息化时代的突出特征是信息量剧增,因此需要高密度磁记录材料和海量存储技术。硬磁材料正在向着高磁能积、高矫顽力、高剩磁方向发展,NdFeB 永磁合金最大磁能积已超过52MGOe;软磁材料正在向着高饱和磁通密度、高磁导率、低磁损耗、低矫顽力、高截止频率方向发展,正在开发的纳米微晶软磁合金磁导率高达100000Hm,饱和磁感应强度可达13T。磁记录器的高密度、低噪音、小型化,要求磁粉的颗粒尺寸由微米向亚微米、纳米方向发展,纳米级磁颗粒技术则可以将硬盘的存储密度提升至惊人的每平方英寸50Tb⑶。毫无疑问,未来磁存储密度能否获得突破性的发展,将取决于相关领域纳米材料的研究成果。

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