今天我們的主題是高分子有機(jī)磁性材料的研究發(fā)展歷程和主要性質(zhì)探究。
1 引言
    磁性材料是一簇新興的基礎(chǔ)功能材料。雖然早在3000多年前我國(guó)就已發(fā)現(xiàn)磁石相互吸引和磁石吸鐵的現(xiàn)象, 并在世界上最先發(fā)明用磁石作為指示方向和校正時(shí)間的應(yīng)用, 在《韓非子》和東漢王充著的《論衡》兩書(shū)中所提到的“司南”就是指此, 但畢竟只是單一地應(yīng)用了天然的磁性材料。人類(lèi)注意于磁性材料的性能特點(diǎn)、制造、應(yīng)用等的研究、開(kāi)發(fā)的發(fā)展歷史尚不到100年時(shí)間。經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展, 磁性材料已經(jīng)形成了一個(gè)龐大的家族,按材料的磁特性來(lái)劃分, 有軟磁、永磁、旋磁、記憶磁、壓磁等; 按材料構(gòu)成來(lái)劃分, 有合金磁性材料, 鐵氧體磁性材料.述材料盡管種類(lèi)繁多, 龐雜交叉, 但都屬于無(wú)機(jī)物質(zhì)的磁性材料或以無(wú)機(jī)物質(zhì)為主的混合物質(zhì)磁性材料。
    近年來(lái), 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(jī)磁性材料,其獨(dú)特之處在于它屬于純有機(jī)物質(zhì)的磁性材料。過(guò)去一般認(rèn)為, 有機(jī)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(jī)高分子化合物的出現(xiàn), 就是高分子材料研究領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。有機(jī)高分子磁性材料的發(fā)現(xiàn)被國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家認(rèn)為是80年代末科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域最重要的成果之一, 它的發(fā)現(xiàn)在理論和應(yīng)用上可與固體超導(dǎo)和有機(jī)超導(dǎo)相提并論。有可能在磁性材料領(lǐng)域產(chǎn)生一系列新技術(shù)。
    2　高分子有機(jī)磁性材料的主要性能特點(diǎn)
    由于高分子有機(jī)磁性材料既屬于高分子有機(jī)材料, 又屬于磁性材料, 對(duì)這類(lèi)材料的研究屬于交叉科學(xué),人們對(duì)這類(lèi)新型材料的研究和認(rèn)識(shí)尚處于起步階段,因此盡管專(zhuān)家們已對(duì)其進(jìn)行了多方面的測(cè)量、試驗(yàn)和分析、研究, 但對(duì)其特性的認(rèn)識(shí)仍很不系統(tǒng)、很不準(zhǔn)確、很不全面。從現(xiàn)已了解到的一些測(cè)試數(shù)據(jù)和分析情況可以初步看出其主要的性能特點(diǎn):
    (1) 該材料是采用與過(guò)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(jī)物質(zhì),是高分子有機(jī)物再加上二茂鐵的絡(luò)合物, 分子量高達(dá)數(shù)千。
    有機(jī)物的主要構(gòu)成元素是碳、氫、氮,結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能十分穩(wěn)定。將磁粉加工制成磁性元件, 不需燒結(jié),只需熱壓成型。加工方便, 元件屬塑性軟磁產(chǎn)品, 不產(chǎn)生因高溫?zé)Y(jié)而導(dǎo)致的尺寸偏差, 且機(jī)械特性好, 可進(jìn)行切、車(chē)、銑、鉆等機(jī)械加工, 機(jī)械的抗振動(dòng)、抗沖擊性好。
    (2)從磁性能看,屬于軟磁。其本征磁特性參數(shù)有, 比磁化強(qiáng)度為20～27A·m2/kg, 剩磁為2.91A·m2/kg,矯頑力4.9kA/m; 應(yīng)用磁特性參數(shù)有, 初始磁導(dǎo)率μi(在1000MHz時(shí))為3～6, 比磁損耗(在1000MHz時(shí))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(fù)數(shù)介電常數(shù)的實(shí)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(jí)微粉)密度為0.33g/cm3, 磁片或磁環(huán)密度為1.05～2.05g/cm3; 適應(yīng)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(huán)升降溫及從-45℃到100℃劇烈溫度沖擊下磁棒無(wú)異常; 抗輻射; 抗老化等。
    (5)目前對(duì)高分子有機(jī)磁性材料的分子結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生磁性的機(jī)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(jī)材料分解時(shí),磁性能才消失, 研究者暫時(shí)將此溫度稱作此種材料的居里溫度。有關(guān)專(zhuān)家估計(jì), 二茂金屬高分子有機(jī)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(jī)材料的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定, 所以磁性能隨溫度的變化很小, 直到高分子有機(jī)材料分解破壞時(shí), 磁性才立即消失, 幾乎無(wú)漸變過(guò)程。
    3　國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展
    國(guó)際上對(duì)有機(jī)磁性材料的研究始于1986年。1988年美國(guó)杜邦公司的Miller研制出名為“十二甲基二茂鐵TCNE電荷轉(zhuǎn)移化合物”的有機(jī)磁性材料。之后, 日本、前蘇聯(lián)(俄羅斯)也相繼研制出有機(jī)磁性材料。但都由于磁性太弱, 而且有在常溫下磁性能不穩(wěn)定的缺陷而沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。
    我國(guó)對(duì)有機(jī)磁性材料的研究基本和國(guó)外同期開(kāi)始。清華大學(xué)和四川師范大學(xué)是國(guó)內(nèi)的主要研究單位。國(guó)家對(duì)高分子有機(jī)磁性材料的研究十分重視。將該項(xiàng)目作為國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)1987～1997年連續(xù)十年資助的科研項(xiàng)目。由四川師范大學(xué)林展如教授主持研究的高分子有機(jī)磁性材料于1993年獲國(guó)家專(zhuān)利局保密發(fā)明專(zhuān)利, 1994年11月在成都通過(guò)國(guó)家技術(shù)鑒定。以中國(guó)科學(xué)院院士徐僖為首的鑒定組認(rèn)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(jié)構(gòu)型金屬有機(jī)高分子磁性材料研究方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。1996年被列入國(guó)家“863”高科技計(jì)劃。1997年由四川省科技投資公司與四川師范大學(xué)組建了四川科新磁電有限責(zé)任公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)這一高新科技項(xiàng)目, 同年12月高分子有機(jī)磁粉中試成功。他們通過(guò)分子設(shè)計(jì)和化學(xué)合成已做了3個(gè)結(jié)構(gòu)系列29個(gè)配方的材料并具有一定的生產(chǎn)能力。林展如教授主持研究的高分子有機(jī)磁性材料的應(yīng)用開(kāi)發(fā)得到了國(guó)內(nèi)電子、通信、航天、航空等方面從事整機(jī)、部件、元器件和材料研究的高等院校、研究所和有關(guān)工廠的大力協(xié)同和密切合作。科研人員利用這類(lèi)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(jīng)有關(guān)部門(mén)試用,這些元器件具有高頻磁信號(hào)損耗小, 溫度系數(shù)數(shù)低,重量輕, 體積小,易加工等特點(diǎn)。這表明該類(lèi)磁性材料是在電子信息領(lǐng)域較富發(fā)展?jié)摿Φ男滦痛判圆牧稀?
    在國(guó)內(nèi)同時(shí)進(jìn)行高分子有機(jī)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(jìn)展。
    4　應(yīng)用開(kāi)發(fā)前景和需要解決的一些問(wèn)題
    1998年4月13日, 四川省電子學(xué)會(huì)和四川省投資公司在成都聯(lián)合組織召開(kāi)了高分子磁性材料應(yīng)用開(kāi)發(fā)合作研討會(huì)。省電子廳、省電子學(xué)會(huì)、省投資公司和13個(gè)研究所、院校、工廠的20多名相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)家參加了會(huì)議。從會(huì)上介紹的對(duì)有機(jī)磁性材料及研制出的元器件的性能的測(cè)量、試驗(yàn)、分析及展示出的磁片、磁環(huán)、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(lái)看, 林教授主持研究的高分子有機(jī)磁性材料已初步進(jìn)入實(shí)用階段, 居國(guó)際領(lǐng)先水平。專(zhuān)家們認(rèn)為,由于高分子有機(jī)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(xué)性能十分穩(wěn)定, 不需燒結(jié)、可加工性好、抗振動(dòng)性和抗沖擊性好等明顯優(yōu)于其他軟磁材料的優(yōu)良特性, 因而在軍工和民用方面都應(yīng)該具有十分廣泛的應(yīng)用。但是,高分子有機(jī)磁性材料具體應(yīng)用于哪些方面,還需相當(dāng)時(shí)間的開(kāi)發(fā)、研究,才能確定。預(yù)計(jì)在如下方面可能有較好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景:
    (1) 在200～3500MHz范圍內(nèi)做各類(lèi)通訊天線。例如用于移動(dòng)通訊的手機(jī)中做天線, 長(zhǎng)4cm左右, 可裝入機(jī)殼內(nèi), 成為無(wú)天線移動(dòng)通訊手機(jī), 方便攜帶使用;此外手機(jī)收發(fā)的高頻電磁波對(duì)人體有輻射作用, 用有機(jī)磁性材料做天線可使輻射下降80%左右, 對(duì)人體健康大為有益,很受歡迎。將高分子有機(jī)磁性材料天線放于無(wú)繩電話的子機(jī)中, 可以取代原長(zhǎng)幾十厘米的金屬天線。此外還可開(kāi)發(fā)研制軍用戰(zhàn)術(shù)天線, 小型化和重量輕的電視天線和可移動(dòng)式電視機(jī)接收天線等。
    (2) 可在200～3500MHz范圍內(nèi)做各種電感器。實(shí)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(jī)磁性材料也是一種性能良好的電介質(zhì)材料。在開(kāi)關(guān)電源中必須使用大的電解電容, 如用高分子有機(jī)磁性材料做介質(zhì)膜, 可使膜厚度增大,使電容大大增高, 降低開(kāi)關(guān)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(kuò)展材料應(yīng)用頻率范圍和降低材料損耗。
    在上述應(yīng)用中需使材料系列化, 提高一致性、重復(fù)性,并大大提高性能價(jià)格比。
    (5) 由于高分子有機(jī)磁性材料的穩(wěn)定性好、加工性好、介電常數(shù)高, 在微波頻率范圍內(nèi)做微帶基片, 不僅可大大縮小器件、部件、整機(jī)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(dòng)后常出現(xiàn)裂紋的問(wèn)題,因而特別適合于航天、航空中應(yīng)用。但應(yīng)解決好兩方面的問(wèn)題:一是損耗應(yīng)小于1×10-3; 二是材料的分解溫度應(yīng)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(zhàn)中的吸波隱身材料。由于國(guó)家將用法規(guī)強(qiáng)制推行抗電磁干擾器件以減少電磁污染; 軍隊(duì)對(duì)航天、航空、艦船等電子整機(jī)較多的武器裝備系統(tǒng)都提出了電磁兼容的嚴(yán)格要求,以減小相互干擾, 提高靈敏度,因而應(yīng)用十分廣泛。此外, 涂敷于飛機(jī)和艦船表面, 使敵方偵察雷達(dá)無(wú)法發(fā)現(xiàn)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(yīng)從這方面研究有機(jī)磁性材料的磁損耗特性和電損耗特性。
    (7) 高分子有機(jī)磁性材料還有望在其他方面進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用。例如用于高級(jí)密封的液體磁性材料, 用于水下探測(cè)的磁致伸縮材料, 用于制作脈沖變壓器以及電視機(jī)、光纖通訊中的某些更新?lián)Q代產(chǎn)品等。
    以上述應(yīng)用為代表的各種應(yīng)用, 還應(yīng)考慮解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:一是從安全性考慮, 解決有機(jī)磁性材料目前存在的易燃問(wèn)題, 使之成為阻燃材料; 二是在有機(jī)磁性材料中增添一些東西, 使之變?yōu)樾聫?fù)合磁性材料, 拓寬應(yīng)用開(kāi)發(fā)面; 三是從小批量試制到中批量生產(chǎn)需解決工藝的穩(wěn)定問(wèn)題; 四是納米級(jí)微粉有許多優(yōu)良特性, 但某些應(yīng)用中需要更粗一些的, 如微米級(jí)的粉末,因此還應(yīng)解決微米級(jí)高分子有機(jī)磁性材料粉末的制備問(wèn)題。
    5　結(jié)束語(yǔ)
    高分子有機(jī)磁性材料的面世,將會(huì)在磁性材料領(lǐng)域引起重大變革。預(yù)計(jì)從現(xiàn)在起再經(jīng)過(guò)3～5年時(shí)間的應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究, 到21世紀(jì)初期以后, 將有大批用高分子有機(jī)磁性材料制成的元器件或器材投放市場(chǎng), 滿足國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要, 使我國(guó)的這一高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為顯著的經(jīng)濟(jì)效益, 并保持國(guó)際領(lǐng)先水平。