磁性材料是现代工业社会的一个组成部分。它们在配电工业中起着关键作用，能够用于电机能转换、微波通讯，并可以作为传感器和有效的数据存储用材料。

美国在磁技术中的作用似乎在急剧降低，原因有两个方面：首先，美国磁性器件系统的制造商过多地依赖外国的器件资源。比方说，不断增加从日本进口开关型电源用的铁氧体和记录磁头材料。其次，美国目前对磁学的基础研究工作开展不力。五十年代末至六十年代初，包括约翰 · 范维勒克（John Van Vleck）、查尔斯 · 基特尔（Charles Kittel）和菲利浦 · 安德逊（Philip Anderson）在内的许多美国著名科学家都在从事磁学研究。现在却不是这样。

如果美国在磁技术方面依赖外国资源，那么我们怎样扭转这种趋势呢？磁性材料委员会推荐的战略是＞应该在下述技术领域增加研究与开发活动：

（1）拥有大量市场或对成品品种有重大影响的技术领域；（2）现有技术水平与理论极限值ft较相差甚大的技术领域；（3）具有丰富科学内容的技术领域。

有几种重要的材料可以满足这些条件。

一、永磁体

永磁体是历史最悠久、用途最广泛的磁性材料之一。最早的永磁体是天然氧化磁体或天然磁体，最早的人造永磁体是淬火硬化钢。

磁钢和Alnico实质上是经过反复试验才研制出来的。磁学的主要概念在四十年代进一步发展，当时路易斯 · 奈耳（Louis Néel）、基特尔（Kittel）和其他人提出单畴粒子的概念，单畴粒子是小得能量上不利于容纳一个磁畴壁的单晶体。一个单畴粒子只要通过均匀旋转或一致旋转就能使其磁化反转。发生这种反转时需要的磁场强度取决于材料的磁各向异性。这种概念后来统治了永磁材料的研究与开发活动。

五十年代末，人们认识到：欲制造高级磁体，就得把高磁化强度和强单轴各向异性的材料制成单畴粒子。斯特拉特等人证明，许多稀土钴化合物满足这些条件。大约到了七十年代，第一代稀土永磁体（REPM'S）SmCo₅问世。这些材料的磁能积约为20 MGOe，比Alnico和硬磁铁氧体的能积高四倍。

第二代稀土永磁体以Sm₂Co₁₇化合物为基础。Sm₂Co₁₇的优点在于磁感应强度提高，磁能积增加到25 MGOe以上。这些磁体远离化学计量的2 ~ 17成分，含有大量的铁和铜，外加少量必要的锆、铪或钛。

新一代的稀土永磁体是Fe₁₄Nd₂B化合物，它是日本住友金属公司和美国通用电气公司于1983年发现的。磁能积为30 ~ 45 MGOe，原材料比较便宜。主要缺点是居里温度（引起磁性能随温度发生强烈变化的温度）低，为300℃。用钴取代铁能够提高居里温度。

永磁体在许多种器件中得到应用。永磁材料的市场总销售额接近十亿美元。由于在一定空间产生一定磁通密度所需的永磁体随着磁能积的增加而降低，故更紧凑的新设计变得合乎实际需要。这种强磁体也有着崭新的用途。

二、低频软磁材料

软磁材料主要用于电动机、发电机、变压器和有关装置中。该材料的功能在于可以在某些空间区域内产生高磁通密度。这种磁通密度必须在量上或方向上、或者在量和方向上同时随时间变化。衡量这种材料的两个主要指标是：磁通密度变化时具有高工作磁通密度、低能耗。

提高导磁率，即在较低磁场下达到饱和磁通密度，便可以获得高工作磁通密度。在绝大多数材料中，趋近饱和受到局部磁化（克服结晶各向异性力作用的）反转时所需磁场的约束。利用工作磁通方向平行于易磁化方向的单晶或带织构多晶体，抑或选择各向异性很小的成分或结构，均可改进性能。对应力的敏感性通过选择一种零磁致伸缩的成分可以降到最低程度。

由这些一般原理引导人们应用三大类金属材料。按价、质高低而论，这三种金属材料分别是：非取向电工钢、晶粒取向电工钢和NiFe，合金。作为一种新材料的非晶合金可望取代后两种材料。

铁磁性非晶合金是在金属表面将液态合金急速凝固制成的。常见的非晶磁性合金有硼和硅占15 ~ 25%（原子质量百分比）的FeBSi、FeNiBSi和CoFeNiBSi。钴合金的磁致伸缩接近于零。非晶合金中没有微结构，宏观各向异性低，而且具有高电阻率（150欧姆一厘米）、高弹性极限、低厚度的特点，这些使它成为优良的软磁材料。

非晶合金独特的性能使得它能与NiFe合金、晶粒取向电工钢或铁氧体相媲美，非晶合金将应用于这些相应的场合。与NiFe合金相比，非晶合金的电阻率和机械硬度更高，损耗和成本更低；与晶粒取向钢相比，非晶合金的电阻率更高，厚度更低，在成本可能相当的情况下损耗低得多；与铁氧体相比，非晶合金的磁通密度和导磁率高得多，成本有时比铁氧体低。

美国非晶合金的研究与开发成果累累。例如，研究人员正在试图制备和表征新型合金，研究结构与性能之间的关系。开发活动集中在宽带的大规模生产上。在全面开发这类新型材料以前，有关该材料的许多问题尚待研究。例如，应该弄清楚沉淀物尺寸、形态、取向和磁性对畴壁形核与钉扎的影响。正如要研究磁致伸缩的机理一样，也应该研究另外一些诸如通过原子化凝固法制备非晶合金的技术。

三、高频软磁材料

当频率高于10 KHz时，FeNi坡莫合金一类的软磁合金的性能因产生涡流损耗而恶化。适用于高频区工作的材料是软磁铁氧体，它的电阻率比金属高出六倍以上。

全世界高频铁氧体的市场销售额约为四亿美元，美国占其中四分之一。应用范围包括远距离通讯、电源、电视接收机的偏转线圈和反馈变压器以及记录磁头。

在用于记录磁头的场合，由于记录密度的增加对材料的要求变得更加严格。目前有三种主要的记录磁头材料。通用的记录介质是γ-Fe₂O₃；其矫顽力约为240 A/cm（300奥斯特）。在使用γ-Fe₂O₃作介质时，磁头材料的外层常常包上坡莫合金，有时通过合金化元素使材料沉淀硬化来降低磁头的磨损。优质声像介质是CrO₂或包钴的γ-Fe₂O₃，其矫顽力约为480 A/cm（600奥斯特）。在这方面，Sendust（85%铁、9.6%硅和5.4%铝）和尖晶石铁氧体都可用作磁头材料。与坡莫合金相比，Sendust具有相同的电阻率、高饱和磁感应强度和良好的耐磨性。后两种特性使Sendust与高矫顽力介质配合使用而引人注目。铁氧体的特点是电阻率和耐磨性高，饱和磁感应强度较低。MnZn和NiZn铁氧体通常都用在录像和高频录音技术中。在用于高频录音时，涡流效应通过金属的高电阻率降到最低程度。

铁氧体磁头的技术问题就是所谓的死层，它是在和磁带发生机械性接触而产生的高矫顽力薄层。死层实际上增大了磁头与介质的间隔，从而降低高密度记录系统的效率。NiZn铁氧体尽管比MnZn铁氧体硬，但它的死层问题比后者更严重。

间隙区的磨损与腐蚀进一步增大磁头与介质的间隙，它们的出现与死层问题有关。此外，在复合结构中，薄极端材料的磨损制了磁头的寿命，由此再次看出，机械硬度和磨损没有直接联系。新型非晶合金的硬度为Sendust的两倍，非晶合金磁头的耐磨率要高三到四倍。另外的研究证明：单晶的耐磨率高低大多取决于晶体取向。摩擦、弹塑性变形、断裂与腐蚀之间可能会产生复杂的相互作用。

高记录密度的发展向人们提出高矫顽力记录介质和高工作频率的要求。现在可以制取矫顽力为1200 A/cm（1500奥斯特）的金属记录颗粒，其设计频率高达10 MHz。因此需要有高饱和感应强度（如Sendust合金）和高电阻率（如NiZn铁氧体）的磁头材料与之相配合。现有的材料中没有一种达到这种要求。

日本人已经开始开发上述记录磁头用非晶合金。用作磁头的实际成分为这有助于把应力感生的噪声和导磁率的减少量降到最低程度。成分的调整致使具有极高矫顽力（914 ~ 1200 A/cm或1150 ~ 1500奥斯特）的新型金属颗粒产生高饱和磁感应强度（约1.3特斯拉）。

四、磁记录介质

磁记录有两种方式：一种是纵向记录，其磁化方向平行于记录介质平面；另一种是垂直向记录，其磁化方向垂直于记录介质平面。记录介质也有两种：一种是颗粒介质，其磁性成分由浸入聚合物粘合剂（它起到分离颗粒和把它们粘结在基片上的作用）内的亚微观单畴氧化物颗粒或金属颗粒组成；另一种是含有铁磁性金属和合金的薄膜介质，颗粒介质的优点在于磁性能和机械性能互不影响、离滚涂速度、滚涂性能均匀、高产率、低成本。薄膜介质的优点在于涂层薄、饱和磁化强度高、磁性能可以连续变化。

磁带、软盘和磁卡的基片几乎都由聚对苯二甲酸乙酯组成。硬盘的基片用AlMg合金做成。但有人提出诸如玻璃和钛之类的基片材料。

γ-Fe₂O₃目前仍然是应用最广泛的磁记录材料。不过，在近五十年内还作了颇多的改进，最近十年来的改进最显著。

然而，现代的应用要求比之单纯的氧化铁更高的矫顽力。若记录信号的波长或位长愈短，则退磁场愈大，它必须用更高的矫顽力来抵消。早先增加γ-Fe₂O₃颗粒的矫顽力的措施是在晶格中混入2 ~ 3%钴，结果制备出具有较高矫顽力（600 ~ 800奥斯特）的γ-Fe₂O₃颗粒，但是矫顽力随温度的变化过于敏感。1974年日本TDK公司找到解决这个问题的答案，具体方法是用钴仅包覆氧化铁颗粒的表面。用这种方法制备的颗粒的矫顽力为550 ~ 750奥斯特，现已广泛用于高性能声像带和高容量软盘中。

磁性颗粒的市场总销额约为二亿三千五百万美元，成品介质（磁带和磁盘）的总销额为80亿美元。尽管这些褐色颗粒得到普遍使用，但是我们仍然未认识到：（1）颗粒尺寸分布与开关场的关系，磁带和磁盘的抹音性能与重写性能；（2）怎样把钴包覆在氧化铁颗粒表面才能提高矫顽力，并使矫顽力几乎不随温度变化；（3）怎样把焦亚硫酸钠包覆在氧化铁颗粒表面才能使矫顽力增加二倍；（4）单个颗粒中的混合各向异性或颗粒混合体的性能。

高密度记录介质（沿涂层平面磁化）除具有高矫顽力外，介质层要薄。制造涂层薄于0.25 μm左右的无缺陷颗粒是有困难的，因此在硬、软基片上研究连续沉淀金属膜的工作至少持续了廿年时间。实用的磁记录包括六十年代的电镀鼓以及最近的真空沉淀磁带、磁盘、自动催化电镀硬盘。在近五年内，大量的研究工作放在单轴CoCr合金膜的制备和性能上，CoCr合金薄膜的磁化方向与基片垂直，可望能得到比纵向磁化膜更高的记录密度。

如果我们了解到高矫顽力（大于500奥斯特）薄膜中磁化反转的机制和薄膜中的基本磁性单元，以及磁性单元间的相互作用，我们就会增强研制这类介质的信心。

五、磁光材料

磁有序材料中不存在时间反演时，会出现光电场产生正交电流的现象。正交电流变成与入射场垂直的电场源，该电场可与入射场同相或异相。这些便是磁光现象的产生根源。按照法拉第效应，光可以穿透材料；按照克尔效应，光则从材料表面反射。当磁化方向平行于传播方向时，磁光效应的幅值最大。这通常意味着我们应对平面型介质感兴趣，该介质的磁化方向正如垂直记录一样，也垂直于平面。

磁光效应一被发现后，便成为指导研制光学器件的理论基础。人们在许多应用领域利用该效应来生产显示器或打印机的光学开关。衡量这种材料的品质因数是每个吸收单位的旋转度。低损耗隔离器的品质因数要求达到每吸收1分贝旋转45°。但是在室温可视区内没有一种材料达到这些性能。然而，亚铁磁性柘榴石在红外区的旋 - 损比能达到每分贝40°左右，这样就提供了10%的总光学对比度。菲利浦工业公司最近把这种效应与电子照相术相结合，生产出一种分辨力为每吋300个光点的行式打印机。

磁光材料的另一个主要应用是用于数据存储。如果磁膜的一小块区域（其大小一般柜当于衍射极限）内的磁化相对其环境反转，那么由磁光效应产生的对比度可用于示值读数。写动作往往通过加热的方式实现。在一种设计方案中，通过加热把矫顽力降到某一点时，很弱的偏磁场就足以使开关动作。这方面的应用尝试在过去廿年内从未间断，但它只是到了现在，由于低成本、高功率固态激光器和低噪声介质的出现才变成现实。低噪声介质由非晶稀土过渡金属薄膜构成。明显的磁光效应起因于过渡金属元素的存在，低噪声是由于薄膜材料中不存在晶粒边界的缘故。

磁记录和光记录有如下优点：可擦度、高面积密度（每平方厘米120兆位）、磁头与介质间无接触，磁记录综合了上述优点，它能够覆盖保护层、读写层和交换层，采用预沟槽进行有效统调。预计1990年磁光介质的市场销售额高达四亿美元，成交额接近十亿美元。磁记录的工业厂家已认识到这种巨大的增长潜力，日本NHK Teleflex-Morse公司和索尼公司已表演了电视编辑用录像盘，夏普公司表演了一种数字系统。

这种脱颖而出的技术亟待大量的支持性研究，其中一部分属于基础研究课题。例如，我们必须确定这些薄膜中各向异性的起源，弄清楚磁光效应能否戏剧性提高，有哪些东西影响这些非晶结构的稳定性。

除了这些有前途的领域外，还有某些具有军事战略价值，但眼下经济潜力不大的材料。比如，二十年前美国国防部曾支持微波铁氧体开发工作，今天85%的市场仍为军方占有。声纳器件用的磁致伸缩传感器是更近的事例。某些稀土元素和合金具有极高的磁致伸缩值，要是这些材料的电阻率能大幅度提高而又不影响磁致伸缩，那么它们的频率区可借助抑制涡流的方法大为展宽。另一例是磁泡，尽管磁泡存储器在经济上无法同大量应用的半导体随机存取存储器竞争，但是它的非易失性和可靠性使得它们在军事和太空应用领域很有吸引力。磁泡器件也蕴藏着利用畴壁获得更高存储密度的潜力。

[Science，1985年7月5日]