量子慣性儀表用磁屏蔽材料進展

楊 鋒，胡 健，李 冉，朱 弢，李海鵬

（鋼鐵研究總院，北京100086）

0 引言

量子慣性儀表利用光場和磁場等技術手段操控原子和電子實現載體轉動信息和線運動信息的精密測量，具有超高精度等特點，是下一代慣性導航系統的核心儀表，在戰略武器裝備和科學研究等軍民領域具有重大的發展潛力和應用價值，已成為世界各國慣性技術研究的重點和熱點［1］。量子慣性儀表的工作原理決定了其必須工作在穩定的磁場環境中，利用磁屏蔽消除外界磁場干擾是量子慣性儀表的關鍵技術之一［2］，高性能磁屏蔽裝置的研究對于實現高精度量子慣性儀表具有重要意義。

主動式磁屏蔽、被動式磁屏蔽和超導磁屏蔽是目前應用的三種磁屏蔽方式，其適用范圍和特點各有不同。其中，被動式磁屏蔽由于屏蔽系數高、性能穩定等優點在量子慣性儀表領域應用最為廣泛。鐵鎳合金、非晶態合金以及鐵氧體是被動式磁屏蔽中所涉及的三種材料，這三種材料特性不同，適用范圍不同，未來發展方向也有所不同。

1 量子慣性儀表用磁屏蔽材料

式（1）中，S0為屏蔽系數，μ為屏蔽材料磁導率，d為空心圓筒壁厚，γ為球殼內半徑。可以看出，磁屏蔽效果主要取決于材料磁性能和磁屏蔽結構。從材料角度來講，主要取決于材料的磁導率。目前，采用的磁屏蔽材料主要有高導磁鐵鎳合金、非晶合金和鐵氧體軟磁材料等。

1.1 高導磁鐵鎳合金

鐵鎳系合金在磁屏蔽材料中占有特殊且重要的地位，這與該種合金具有下列特點密不可分［9］：1）鐵鎳合金在弱磁場中具有高的導磁率和低的矯頑力；2）通過調整成分、調整工藝，可以在很寬

由于磁屏蔽對于量子慣性儀表的重要影響，國內外均開展了高精度磁屏蔽技術研究。北京航空航天大學的董全林等［3］研究了線圈結構對于磁屏蔽效果的影響，并成功將研究結果用于量子儀表中。中科院物理研究所的王俊平等［4］研制了一種YBCO（釔鋇銅氧）超導磁屏蔽筒，降低了磁強計的噪音，提高了系統整體靈敏度。美國Princeton大學的Kornack等［5］通過將Fe-Ni合金和鐵氧體結合，制備了被動式磁屏蔽裝置，內部磁場噪音大大降低。目前，磁屏蔽主要采用三種方法：1）主動式磁屏蔽采用線圈抵消外界磁場，該方法可抵消靜磁場，但抗干擾性差；2）被動式磁屏蔽采用高導磁材料形成屏蔽殼體，將磁力線約束在屏蔽殼體內從而達到屏蔽的目的；3）利用超導的Meisner效應，將磁力線排除在屏蔽體外。三種方案各有利弊：主動式磁屏蔽成本較低，可用于大型零磁空間的構造，但抗干擾性差；超導Meisner效應排除了外部磁力線的同時，內部磁力線也會被固化在內部，形成磁場噪音；被動式磁屏蔽屏蔽效能高，內部磁場穩定，抗干擾能力強，但結構復雜，整體成本高。三種屏蔽中，目前應用最多的還是被動式磁屏蔽，通過結構優化提高了磁屏蔽性能［6-8］。

從傳統的磁屏蔽角度而言，忽略內部電子熱運動內部磁噪音，定性分析磁屏蔽效果，對于由磁屏蔽材料組成的單層空心球體，可以采用以下近似公式范圍內控制合金的磁性能，除了弱磁場下的高導磁合金外，還可制成高磁感高導磁、低損耗高導磁、低溫高導磁、高硬度高導磁等多種鐵鎳合金，在現有磁屏蔽材料中性能最為多樣；3）具有良好的冷熱加工性能，由于鐵鎳合金具有高的初始磁導率、低矯頑力，同時加工性能優異，在高精度磁屏蔽中得到了廣泛的應用。國內外高精度磁屏蔽均采用鐵鎳系軟磁合金，但牌號不同：我國采用高導磁1J79或1J85系列軟磁合金，法國采用Mumetal或 Permimphy系列，美國采用 Mumetal、Supermalloy或HyMu系列，英國采用 Mumetal或Supermetal系列，俄羅斯采用80HXC系列，屏蔽性能相當。鐵鎳合金制備通過傳統的冶金過程，歷經冶煉、鍛造、軋制而成，通常以帶材和棒材形式存在，具體如圖1所示。

圖1 鐵鎳合金帶材及軋制設備Fig.1 Diagram of Fe-Ni alloy strip and strip mills

1.2 非晶態合金

20世紀70年代，非晶態金屬的研制成功為高精度磁屏蔽研制增加了更多選擇。非晶態金屬采用極冷快淬的工藝進行制備，其設備如圖2所示。合金在冷卻過程中來不及結晶，形成長程無序結構，晶粒尺寸較小，僅為10nm左右，因此具有極低的磁晶各向異性常數K，同時可以通過調整化學合成和熱處理工藝使合金的飽和磁滯伸縮系數λs也趨近于零。以上特點使得非晶態金屬具有優異的軟磁性能，同時該材料對應力相對不敏感，適合于高質量的磁屏蔽［10］。

目前，研制的非晶態金屬主要是鐵基非晶、鈷基非晶、鐵鎳基非晶和鈷鎳基非晶。非晶態金屬的初始磁導率為

圖2 非晶態合金及快淬設備Fig.2 Diagram of amorphous alloys and its quench equipment

式（2）中，Ms為材料的飽和磁化強度；Keff為有效各向異性常數，主要包括磁晶各向異性常數、磁致伸縮各向異性常數、熱磁各向異性常數和感生各向異性常數等［9］。

可見，要獲得較高的初始磁導率μ0，就要求Ms較高，且Keff盡可能低。對于非晶態合金，主要是由飽和磁滯伸縮系數λs起作用，鈷基非晶的λs≤1×10-6，因而具有較好的軟磁特性，即初始磁導率μ0較高。通過在主成分Fe、Co、Si、B中添加不同微量元素V、Ni、Cr、Mn、Ta等，調整飽和磁滯伸縮系數λs，可以同時改善磁性和穩定性。目前，研制的鈷基非晶的λs≤3×10-7，初始磁導率高達200mH／m以上，最大磁導率高達650mH／m以上。

鈷基非晶雖然磁屏蔽性能優異，但由于受快冷工藝的影響，很難形成任意形狀的結構。通常只能以帶材的形式存在，寬度和厚度都有一定范圍，在實際應用中受到一定的限制。日本日立公司率先將非晶材料和聚酯薄膜復合，形成可粘貼的機械復合材料，方便使用的同時具有一定的屏蔽效能。國內的鋼鐵研究總院積極開展了高導磁鈷基非晶和聚酯薄膜復合研究，并將其用于相關型號，形成的雙層屏蔽結構大大提高了屏蔽性能。但由于鈷基非晶熱處理后的塑韌性較差以及不干膠粘連機械連接的方式，其長期穩定性和耐高低溫特性仍有待進一步改善。同時，對于復雜形狀的磁屏蔽殼體，復合材料和基體的貼合仍存在較大困難。

1.3 軟磁鐵氧體材料

與上述兩種材料相比，軟磁鐵氧體由于磁導率相對較小、剩磁較大，以前很少在高性能磁屏蔽研究中進行應用，通常用于中高頻磁屏蔽和吸波材料。隨著磁屏蔽研究的不斷深入，當磁屏蔽內部磁場達到fT量級時，傳統的軟磁合金由于電子熱運動帶來了磁場噪音，無法進一步提高磁屏蔽性能。Lee等［11］通過理論推導得到了鐵鎳合金屏蔽筒自身由于電子熱運動所帶來的磁場噪音的公式

式（3）中，δBcurr為電子熱運動所帶來的磁場本底噪音，μ0為真空磁導率，k為Boltzmann常數，T為溫度，σ為電導率，t為屏蔽殼體厚度，a為屏蔽筒半徑，G為比例常數，和結構相關。屏蔽體本身的磁場噪音δBcurr對于不同材料的比例常數有所不同，但都和成正比。因此，低電阻率的軟磁鐵氧體進入到人們的研究視線中。美國Princeton大學將軟磁鐵氧體用于磁場屏蔽，成功將磁場噪音降低到了 0.16fT［5］。

軟磁鐵氧體屬于陶瓷性質的半導體，其電阻率為金屬的106～1012倍。鐵氧體一般采用氧化物粉末壓型后燒結而成，其相關設備及產品如圖3所示。鐵氧體制備的工藝流程為典型的粉末燒結工藝：配料→球磨→壓制成型→燒結。其種類較多，分為Ni-Cu-Zn、Mn-Zn、Ni-Zn、Mg-Zn、Li-Zn以及六角晶系等多種鐵氧體［8］。其中，Mn-Zn鐵氧體由于初始磁導率較高，已成為量子慣性儀表磁屏蔽主要使用的材料。

圖3 鐵氧體環及大型壓機制備設備Fig.3 Diagram of ferrite ring and hydraulic press

2 發展趨勢分析

鐵鎳合金具有高磁導率和加工性能好等優點，在磁屏蔽中被廣泛應用。軟磁鐵氧體具有高電阻和低噪音等特點，在fT量級以下的低噪音磁屏蔽中得到應用。未來的研究重點主要集中在上述兩種材料的改進和進一步發展。

2.1 鐵氧體發展分析

目前，量子慣性儀表研究中所采用的鐵氧體均為現有成熟的Mn-Zn鐵氧體。鐵氧體采用粉末燒結工藝，一般用于制備小型元器件，大型元器件的制備難度較大。美國Princeton大學的Romailis教授率先采用了將多個鐵氧體環拼接為整體磁屏蔽筒的方案，由于拼接方案的使用，不可避免地會降低整體屏蔽系數，同時會影響內部磁場的均勻性。后續，大型薄壁鐵氧體器件將成為重點研究方向。

磁屏蔽系數和材料的磁導率密切相關，磁導率直接影響著磁屏蔽的性能。因此，不斷提高鐵氧體磁導率是鐵氧體作為磁屏蔽材料的永恒主題。同時，鐵氧體用于內部磁場的最終屏蔽，其復數磁導率直接影響著內部磁場噪音，在提高實部磁導率的同時，需要降低虛部磁導率。

2.2 鐵鎳合金發展分析

鐵鎳合金是一種傳統的高性能磁屏蔽材料，其性能可以通過調整化學成分和工藝進行優化。在高性能量子慣性儀表磁屏蔽需求的牽引下，鐵鎳合金可以進一步得到改進。鐵鎳合金為金屬，整體電阻率較低，可以通過調整化學成分和后續工藝，在一定范圍內適當改變鐵鎳合金的電阻率，從而得到兼顧電阻率和磁導率的鐵鎳合金。鐵鎳合金的磁導率并不是恒定不變的，它隨溫度和壓力的變化而變化。而磁導率和磁屏蔽系數密切相關，從而導致內部磁場發生波動，進而影響整體系統的穩定性。后續需要研究溫度、壓力和內部組織結構、磁性能之間的相互關系，最終得到溫度和應力穩定性更高的鐵鎳合金。

3 結論

隨著量子慣性儀表研究的不斷深入，與之密切相關的磁屏蔽材料也得到了相應發展。Mn-Zn鐵氧體在量子慣性儀表磁屏蔽的應用有效地降低了內部磁場噪音。隨著量子慣性儀表的進一步發展，對現有磁屏蔽材料提出了越來越高的要求。在新型高效磁屏蔽材料出現以前，后續工作的重點在于改進現有磁屏蔽材料。對鐵氧體而言，要提高實部磁導率，降低虛部磁導率；對傳統的鐵鎳合金而言，要改進其溫度和應力穩定性，以此滿足不斷發展的量子慣性儀表和導航的應用需求。