量子惯性仪表用磁屏蔽材料进展

杨 锋，胡 健，李 冉，朱 弢，李海鹏

（钢铁研究总院，北京100086）

0 引言

量子惯性仪表利用光场和磁场等技术手段操控原子和电子实现载体转动信息和线运动信息的精密测量，具有超高精度等特点，是下一代惯性导航系统的核心仪表，在战略武器装备和科学研究等军民领域具有重大的发展潜力和应用价值，已成为世界各国惯性技术研究的重点和热点［1］。量子惯性仪表的工作原理决定了其必须工作在稳定的磁场环境中，利用磁屏蔽消除外界磁场干扰是量子惯性仪表的关键技术之一［2］，高性能磁屏蔽装置的研究对于实现高精度量子惯性仪表具有重要意义。

主动式磁屏蔽、被动式磁屏蔽和超导磁屏蔽是目前应用的三种磁屏蔽方式，其适用范围和特点各有不同。其中，被动式磁屏蔽由于屏蔽系数高、性能稳定等优点在量子惯性仪表领域应用最为广泛。铁镍合金、非晶态合金以及铁氧体是被动式磁屏蔽中所涉及的三种材料，这三种材料特性不同，适用范围不同，未来发展方向也有所不同。

1 量子惯性仪表用磁屏蔽材料

式（1）中，S0为屏蔽系数，μ为屏蔽材料磁导率，d为空心圆筒壁厚，γ为球壳内半径。可以看出，磁屏蔽效果主要取决于材料磁性能和磁屏蔽结构。从材料角度来讲，主要取决于材料的磁导率。目前，采用的磁屏蔽材料主要有高导磁铁镍合金、非晶合金和铁氧体软磁材料等。

1.1 高导磁铁镍合金

铁镍系合金在磁屏蔽材料中占有特殊且重要的地位，这与该种合金具有下列特点密不可分［9］：1）铁镍合金在弱磁场中具有高的导磁率和低的矫顽力；2）通过调整成分、调整工艺，可以在很宽

由于磁屏蔽对于量子惯性仪表的重要影响，国内外均开展了高精度磁屏蔽技术研究。北京航空航天大学的董全林等［3］研究了线圈结构对于磁屏蔽效果的影响，并成功将研究结果用于量子仪表中。中科院物理研究所的王俊平等［4］研制了一种YBCO（钇钡铜氧）超导磁屏蔽筒，降低了磁强计的噪音，提高了系统整体灵敏度。美国Princeton大学的Kornack等［5］通过将Fe-Ni合金和铁氧体结合，制备了被动式磁屏蔽装置，内部磁场噪音大大降低。目前，磁屏蔽主要采用三种方法：1）主动式磁屏蔽采用线圈抵消外界磁场，该方法可抵消静磁场，但抗干扰性差；2）被动式磁屏蔽采用高导磁材料形成屏蔽壳体，将磁力线约束在屏蔽壳体内从而达到屏蔽的目的；3）利用超导的Meisner效应，将磁力线排除在屏蔽体外。三种方案各有利弊：主动式磁屏蔽成本较低，可用于大型零磁空间的构造，但抗干扰性差；超导Meisner效应排除了外部磁力线的同时，内部磁力线也会被固化在内部，形成磁场噪音；被动式磁屏蔽屏蔽效能高，内部磁场稳定，抗干扰能力强，但结构复杂，整体成本高。三种屏蔽中，目前应用最多的还是被动式磁屏蔽，通过结构优化提高了磁屏蔽性能［6-8］。

从传统的磁屏蔽角度而言，忽略内部电子热运动内部磁噪音，定性分析磁屏蔽效果，对于由磁屏蔽材料组成的单层空心球体，可以采用以下近似公式范围内控制合金的磁性能，除了弱磁场下的高导磁合金外，还可制成高磁感高导磁、低损耗高导磁、低温高导磁、高硬度高导磁等多种铁镍合金，在现有磁屏蔽材料中性能最为多样；3）具有良好的冷热加工性能，由于铁镍合金具有高的初始磁导率、低矫顽力，同时加工性能优异，在高精度磁屏蔽中得到了广泛的应用。国内外高精度磁屏蔽均采用铁镍系软磁合金，但牌号不同：我国采用高导磁1J79或1J85系列软磁合金，法国采用Mumetal或 Permimphy系列，美国采用 Mumetal、Supermalloy或HyMu系列，英国采用 Mumetal或Supermetal系列，俄罗斯采用80HXC系列，屏蔽性能相当。铁镍合金制备通过传统的冶金过程，历经冶炼、锻造、轧制而成，通常以带材和棒材形式存在，具体如图1所示。

图1 铁镍合金带材及轧制设备Fig.1 Diagram of Fe-Ni alloy strip and strip mills

1.2 非晶态合金

20世纪70年代，非晶态金属的研制成功为高精度磁屏蔽研制增加了更多选择。非晶态金属采用极冷快淬的工艺进行制备，其设备如图2所示。合金在冷却过程中来不及结晶，形成长程无序结构，晶粒尺寸较小，仅为10nm左右，因此具有极低的磁晶各向异性常数K，同时可以通过调整化学合成和热处理工艺使合金的饱和磁滞伸缩系数λs也趋近于零。以上特点使得非晶态金属具有优异的软磁性能，同时该材料对应力相对不敏感，适合于高质量的磁屏蔽［10］。

目前，研制的非晶态金属主要是铁基非晶、钴基非晶、铁镍基非晶和钴镍基非晶。非晶态金属的初始磁导率为

图2 非晶态合金及快淬设备Fig.2 Diagram of amorphous alloys and its quench equipment

式（2）中，Ms为材料的饱和磁化强度；Keff为有效各向异性常数，主要包括磁晶各向异性常数、磁致伸缩各向异性常数、热磁各向异性常数和感生各向异性常数等［9］。

可见，要获得较高的初始磁导率μ0，就要求Ms较高，且Keff尽可能低。对于非晶态合金，主要是由饱和磁滞伸缩系数λs起作用，钴基非晶的λs≤1×10-6，因而具有较好的软磁特性，即初始磁导率μ0较高。通过在主成分Fe、Co、Si、B中添加不同微量元素V、Ni、Cr、Mn、Ta等，调整饱和磁滞伸缩系数λs，可以同时改善磁性和稳定性。目前，研制的钴基非晶的λs≤3×10-7，初始磁导率高达200mH／m以上，最大磁导率高达650mH／m以上。

钴基非晶虽然磁屏蔽性能优异，但由于受快冷工艺的影响，很难形成任意形状的结构。通常只能以带材的形式存在，宽度和厚度都有一定范围，在实际应用中受到一定的限制。日本日立公司率先将非晶材料和聚酯薄膜复合，形成可粘贴的机械复合材料，方便使用的同时具有一定的屏蔽效能。国内的钢铁研究总院积极开展了高导磁钴基非晶和聚酯薄膜复合研究，并将其用于相关型号，形成的双层屏蔽结构大大提高了屏蔽性能。但由于钴基非晶热处理后的塑韧性较差以及不干胶粘连机械连接的方式，其长期稳定性和耐高低温特性仍有待进一步改善。同时，对于复杂形状的磁屏蔽壳体，复合材料和基体的贴合仍存在较大困难。

1.3 软磁铁氧体材料

与上述两种材料相比，软磁铁氧体由于磁导率相对较小、剩磁较大，以前很少在高性能磁屏蔽研究中进行应用，通常用于中高频磁屏蔽和吸波材料。随着磁屏蔽研究的不断深入，当磁屏蔽内部磁场达到fT量级时，传统的软磁合金由于电子热运动带来了磁场噪音，无法进一步提高磁屏蔽性能。Lee等［11］通过理论推导得到了铁镍合金屏蔽筒自身由于电子热运动所带来的磁场噪音的公式

式（3）中，δBcurr为电子热运动所带来的磁场本底噪音，μ0为真空磁导率，k为Boltzmann常数，T为温度，σ为电导率，t为屏蔽壳体厚度，a为屏蔽筒半径，G为比例常数，和结构相关。屏蔽体本身的磁场噪音δBcurr对于不同材料的比例常数有所不同，但都和成正比。因此，低电阻率的软磁铁氧体进入到人们的研究视线中。美国Princeton大学将软磁铁氧体用于磁场屏蔽，成功将磁场噪音降低到了 0.16fT［5］。

软磁铁氧体属于陶瓷性质的半导体，其电阻率为金属的106～1012倍。铁氧体一般采用氧化物粉末压型后烧结而成，其相关设备及产品如图3所示。铁氧体制备的工艺流程为典型的粉末烧结工艺：配料→球磨→压制成型→烧结。其种类较多，分为Ni-Cu-Zn、Mn-Zn、Ni-Zn、Mg-Zn、Li-Zn以及六角晶系等多种铁氧体［8］。其中，Mn-Zn铁氧体由于初始磁导率较高，已成为量子惯性仪表磁屏蔽主要使用的材料。

图3 铁氧体环及大型压机制备设备Fig.3 Diagram of ferrite ring and hydraulic press

2 发展趋势分析

铁镍合金具有高磁导率和加工性能好等优点，在磁屏蔽中被广泛应用。软磁铁氧体具有高电阻和低噪音等特点，在fT量级以下的低噪音磁屏蔽中得到应用。未来的研究重点主要集中在上述两种材料的改进和进一步发展。

2.1 铁氧体发展分析

目前，量子惯性仪表研究中所采用的铁氧体均为现有成熟的Mn-Zn铁氧体。铁氧体采用粉末烧结工艺，一般用于制备小型元器件，大型元器件的制备难度较大。美国Princeton大学的Romailis教授率先采用了将多个铁氧体环拼接为整体磁屏蔽筒的方案，由于拼接方案的使用，不可避免地会降低整体屏蔽系数，同时会影响内部磁场的均匀性。后续，大型薄壁铁氧体器件将成为重点研究方向。

磁屏蔽系数和材料的磁导率密切相关，磁导率直接影响着磁屏蔽的性能。因此，不断提高铁氧体磁导率是铁氧体作为磁屏蔽材料的永恒主题。同时，铁氧体用于内部磁场的最终屏蔽，其复数磁导率直接影响着内部磁场噪音，在提高实部磁导率的同时，需要降低虚部磁导率。

2.2 铁镍合金发展分析

铁镍合金是一种传统的高性能磁屏蔽材料，其性能可以通过调整化学成分和工艺进行优化。在高性能量子惯性仪表磁屏蔽需求的牵引下，铁镍合金可以进一步得到改进。铁镍合金为金属，整体电阻率较低，可以通过调整化学成分和后续工艺，在一定范围内适当改变铁镍合金的电阻率，从而得到兼顾电阻率和磁导率的铁镍合金。铁镍合金的磁导率并不是恒定不变的，它随温度和压力的变化而变化。而磁导率和磁屏蔽系数密切相关，从而导致内部磁场发生波动，进而影响整体系统的稳定性。后续需要研究温度、压力和内部组织结构、磁性能之间的相互关系，最终得到温度和应力稳定性更高的铁镍合金。

3 结论

随着量子惯性仪表研究的不断深入，与之密切相关的磁屏蔽材料也得到了相应发展。Mn-Zn铁氧体在量子惯性仪表磁屏蔽的应用有效地降低了内部磁场噪音。随着量子惯性仪表的进一步发展，对现有磁屏蔽材料提出了越来越高的要求。在新型高效磁屏蔽材料出现以前，后续工作的重点在于改进现有磁屏蔽材料。对铁氧体而言，要提高实部磁导率，降低虚部磁导率；对传统的铁镍合金而言，要改进其温度和应力稳定性，以此满足不断发展的量子惯性仪表和导航的应用需求。