鐘昭明
(國營第八九九廠 四川宜賓 644005)
摘自《磁性材料及器件》1999年12月
1 引言
磁性材料是一簇新興的基礎功能材料。雖然早在3000多年前我國就已發現磁石相互吸引和磁石吸鐵的現象, 并在世界上最先發明用磁石作為指示方向和校正時間的應用, 在《韓非子》和東漢王充著的《論衡》兩書中所提到的“司南”就是指此, 但畢竟只是單一地應用了天然的磁性材料。人類注意于磁性材料的性能特點、制造、應用等的研究、開發的發展歷史尚不到100年時間。經過近百年的發展, 磁性材料已經形成了一個龐大的家族,按材料的磁特性來劃分, 有軟磁、永磁、旋磁、記憶磁、壓磁等; 按材料構成來劃分, 有合金磁性材料, 鐵氧體磁性材料, 分類情況如下:
上述材料盡管種類繁多, 龐雜交叉, 但都屬于無機物質的磁性材料或以無機物質為主的混合物質磁性材料。
近年來, 由于一種全新的磁性材料的面世, 使磁性材料家族喜添新成員, 這就是高分子有機磁性材料,其獨特之處在于它屬于純有機物質的磁性材料。過去一般認為, 有機高分子化合物是難于具有磁性的, 因此本身具有磁性的有機高分子化合物的出現, 就是高分子材料研究領域的一個重大突破。有機高分子磁性材料的發現被國內外專家認為是80年代末科學技術領域最重要的成果之一, 它的發現在理論和應用上可與固體超導和有機超導相提并論。有可能在磁性材料領域產生一系列新技術。
2 高分子有機磁性材料的主要性能特點
由于高分子有機磁性材料既屬于高分子有機材料, 又屬于磁性材料, 對這類材料的研究屬于交叉科學,人們對這類新型材料的研究和認識尚處于起步階段,因此盡管專家們已對其進行了多方面的測量、試驗和分析、研究, 但對其特性的認識仍很不系統、很不準確、很不全面。從現已了解到的一些測試數據和分析情況可以初步看出其主要的性能特點:
(1) 該材料是采用與過去所有磁性材料的制備方法完全不同的高分子化工工藝制成的高分子有機物質,是高分子有機物再加上二茂鐵的絡合物, 分子量高達數千。該類材料和元件制備的主要工藝流程如圖1。
有機物的主要構成元素是碳、氫、氮,結構和化學性能十分穩定。將磁粉加工制成磁性元件, 不需燒結,只需熱壓成型。加工方便, 元件屬塑性軟磁產品, 不產生因高溫燒結而導致的尺寸偏差, 且機械特性好, 可進行切、車、銑、鉆等機械加工, 機械的抗振動、抗沖擊性好。
(2)從磁性能看,屬于軟磁。其本征磁特性參數有, 比磁化強度為20～27A·m2/kg, 剩磁為2.91A·m2/kg,矯頑力4.9kA/m; 應用磁特性參數有, 初始磁導率μi(在1000MHz時)為3～6, 比磁損耗(在1000MHz時)tgδ/μi為2.7×10-3; 低損耗適用頻率范圍為200～3500MHz。
(3)介電特性較好。電阻率≥1010Ω·cm, 在1～1000MHz下, 復數介電常數的實部ε′為8.2～8.3, 虛部ε″為0.21～0.22。
(4)其他物理特性有, 密度低, 磁粉(為納米級微粉)密度為0.33g/cm3, 磁片或磁環密度為1.05～2.05g/cm3; 適應溫度寬, 為1.5～450K; 溫度變化率低, Δμ/μi在-55～15℃間為-0.4%, 在55～125℃間為1.4%; 耐熱沖擊好, 在-45℃, 20℃及125℃間循環升降溫及從-45℃到100℃劇烈溫度沖擊下磁棒無異常; 抗輻射; 抗老化等。
(5)目前對高分子有機磁性材料的分子結構和產生磁性的機理尚不清楚。隨著材料溫度的升高, 磁性能變化很小, 直到220℃該種高分子有機材料分解時,磁性能才消失, 研究者暫時將此溫度稱作此種材料的居里溫度。有關專家估計, 二茂金屬高分子有機磁性材料的磁性, 可能是源于磁性金屬離子的有序排列, 由于高分子有機材料的結構非常穩定, 所以磁性能隨溫度的變化很小, 直到高分子有機材料分解破壞時, 磁性才立即消失, 幾乎無漸變過程。金屬高分子有機磁性材料與NiZn鐵氧體材料的性能比較如表1所列。
3 國內外研究進展
國際上對有機磁性材料的研究始于1986年。1988年美國杜邦公司的Miller研制出名為“十二甲基二茂鐵TCNE電荷轉移化合物”的有機磁性材料。之后, 日本、前蘇聯(俄羅斯)也相繼研制出有機磁性材料。但都由于磁性太弱, 而且有在常溫下磁性能不穩定的缺陷而沒有實用價值。
我國對有機磁性材料的研究基本和國外同期開始。清華大學和四川師范大學是國內的主要研究單位。國家對高分子有機磁性材料的研究十分重視。將該項目作為國家自然科學基金會1987～1997年連續十年資助的科研項目。由四川師范大學林展如教授主持研究的高分子有機磁性材料于1993年獲國家專利局保密發明專利, 1994年11月在成都通過國家技術鑒定。以中國科學院院士徐僖為首的鑒定組認為:該課題組研制的二茂金屬高分子磁性化合物及試制的一系列磁性元器件, 在結構型金屬有機高分子磁性材料研究方面處于國際領先水平。1996年被列入國家“863”高科技計劃。1997年由四川省科技投資公司與四川師范大學組建了四川科新磁電有限責任公司聯合開發這一高新科技項目, 同年12月高分子有機磁粉中試成功。他們通過分子設計和化學合成已做了3個結構系列29個配方的材料并具有一定的生產能力。林展如教授主持研究的高分子有機磁性材料的應用開發得到了國內電子、通信、航天、航空等方面從事整機、部件、元器件和材料研究的高等院校、研究所和有關工廠的大力協同和密切合作。科研人員利用這類新型磁性化合物已研制出功率分配器、射頻振蕩器等15種磁性元器件, 經有關部門試用,這些元器件具有高頻磁信號損耗小, 溫度系數數低,重量輕, 體積小,易加工等特點。這表明該類磁性材料是在電子信息領域較富發展潛力的新型磁性材料。
在國內同時進行高分子有機磁性材料研究的還有東北金屬研究所、中科院物理所等,他們也都分別取得不同程度的進展。
4 應用開發前景和需要解決的一些問題
1998年4月13日, 四川省電子學會和四川省投資公司在成都聯合組織召開了高分子磁性材料應用開發合作研討會。省電子廳、省電子學會、省投資公司和13個研究所、院校、工廠的20多名相關專業的專家參加了會議。從會上介紹的對有機磁性材料及研制出的元器件的性能的測量、試驗、分析及展示出的磁片、磁環、磁板、磁棒等元件和射頻振蕩器、混頻器、濾波器、功率分配器和合成器、放大器等器件的樣品情況來看, 林教授主持研究的高分子有機磁性材料已初步進入實用階段, 居國際領先水平。專家們認為,由于高分子有機磁性材料具有密度低、適用溫度范圍寬、溫度變化率低、在高頻和微波頻率下磁損耗低,磁性能、介電性能和化學性能十分穩定, 不需燒結、可加工性好、抗振動性和抗沖擊性好等明顯優于其他軟磁材料的優良特性, 因而在軍工和民用方面都應該具有十分廣泛的應用。但是,高分子有機磁性材料具體應用于哪些方面,還需相當時間的開發、研究,才能確定。預計在如下方面可能有較好的開發應用前景:
(1) 在200～3500MHz范圍內做各類通訊天線。例如用于移動通訊的手機中做天線, 長4cm左右, 可裝入機殼內, 成為無天線移動通訊手機, 方便攜帶使用;此外手機收發的高頻電磁波對人體有輻射作用, 用有機磁性材料做天線可使輻射下降80%左右, 對人體健康大為有益,很受歡迎。將高分子有機磁性材料天線放于無繩電話的子機中, 可以取代原長幾十厘米的金屬天線。此外還可開發研制軍用戰術天線, 小型化和重量輕的電視天線和可移動式電視機接收天線等。
(2) 可在200～3500MHz范圍內做各種電感器。實際上在200MHz以下仍然有大量電感器件的需求,如在共用天線等方面。要求材料提高μ值以增大電感量。
(3) 高分子有機磁性材料也是一種性能良好的電介質材料。在開關電源中必須使用大的電解電容, 如用高分子有機磁性材料做介質膜, 可使膜厚度增大,使電容大大增高, 降低開關電源的成本。
(4)可在一定的射頻頻率范圍制做軍工和民用的振蕩器、混頻器、變頻器、功率分配器、功率合成器、功率放大器、濾波器等微波器件。需擴展材料應用頻率范圍和降低材料損耗。
在上述應用中需使材料系列化, 提高一致性、重復性,并大大提高性能價格比。
(5) 由于高分子有機磁性材料的穩定性好、加工性好、介電常數高, 在微波頻率范圍內做微帶基片, 不僅可大大縮小器件、部件、整機的體積,減輕重量, 而且由于耐振性好, 可以解決用陶瓷基片振動后常出現裂紋的問題,因而特別適合于航天、航空中應用。但應解決好兩方面的問題:一是損耗應小于1×10-3; 二是材料的分解溫度應由目前的220℃提高到基片的成型溫度和錫焊溫度260℃以上。
(6) 做成抗電磁干擾器件和電子戰中的吸波隱身材料。由于國家將用法規強制推行抗電磁干擾器件以減少電磁污染; 軍隊對航天、航空、艦船等電子整機較多的武器裝備系統都提出了電磁兼容的嚴格要求,以減小相互干擾, 提高靈敏度,因而應用十分廣泛。此外, 涂敷于飛機和艦船表面, 使敵方偵察雷達無法發現的吸波隱身材料用量也很大。但這些用途都需要材料有高的損耗, 應從這方面研究有機磁性材料的磁損耗特性和電損耗特性。
(7) 高分子有機磁性材料還有望在其他方面進行開發應用。例如用于高級密封的液體磁性材料, 用于水下探測的磁致伸縮材料, 用于制作脈沖變壓器以及電視機、光纖通訊中的某些更新換代產品等。
以上述應用為代表的各種應用, 還應考慮解決以下幾個方面的問題:一是從安全性考慮, 解決有機磁性材料目前存在的易燃問題, 使之成為阻燃材料; 二是在有機磁性材料中增添一些東西, 使之變為新復合磁性材料, 拓寬應用開發面; 三是從小批量試制到中批量生產需解決工藝的穩定問題; 四是納米級微粉有許多優良特性, 但某些應用中需要更粗一些的, 如微米級的粉末,因此還應解決微米級高分子有機磁性材料粉末的制備問題。
5 結束語
高分子有機磁性材料的面世,將會在磁性材料領域引起重大變革。預計從現在起再經過3～5年時間的應用開發研究, 到21世紀初期以后, 將有大批用高分子有機磁性材料制成的元器件或器材投放市場, 滿足國防和國民經濟建設的需要, 使我國的這一高新技術成果轉化為顯著的經濟效益, 并保持國際領先水平。
參考文獻略
