第6章磁记录材料

这是磁记录技术的开端！ 人们称他为“磁记录之父”
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磁记录的起源

时间：1888年 — 早在普尔生发明磁性录音机十年前 人物：美国人奥· 史密斯(0berlin Smith) 事件：发表了关于磁性录音可能性的论文 观点：史密斯认为将随时间变化的声音转换为电流进而转换 为磁性的变化而被记录，再以相反的过程重放是可行的
保护层和润滑层 Co-Cr-Ta记录层 （10nm~130nm） Ni-Fe软磁层 （7000nm） 基底和附加层
水平磁记录盘片结构示意
垂直磁记录盘片结构示意
保护层
保护层应尽可能薄、不粗糙、耐磨，同时应不 使磁头磨损，还应尽可能具有强的抗腐蚀性 保护层材料应该是比较硬的、化学性质不活泼 的、能与磁性层很好粘结但与磁头不粘结的材 料，同时应有高的抗张强度，并且不易碎裂 常用的保护层材料有硬质碳，除此之外，保护 层材料还有TiC、TiN、SiC、CrC3、Al2O3等
6.3.2颗粒状涂布介质
对颗粒介质的要求 颗粒状介质最好是单畴的； 颗粒的形状以针状为最佳 ； 颗粒状介质信噪比与 N成正比，N为单位体积内磁性颗 粒数
样品开关场分布尽可能窄
矫顽力在磁头允许的情况下足够高 居里温度必须比记录介质材料在使用、存贮和运输过程 中的环境温度要高。
颗粒状涂布介质结构

出，于是在1907年他又发明了直流偏磁的录音方式
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磁记录
1.模拟磁记录

通过磁头把输入的电流信号转化为变化的磁场来 磁化磁介质，并通过磁头把磁介质上的磁信号转 换成电信号输出（或把信号擦除）
将数字代码信息以电流的形式输入到磁头线圈中 ，形成磁场后磁化磁介质，并以磁化状态的形式 保存在磁记录介质上。通过磁头把磁介质上的磁 信号转换成电信号，再还原成数字形式输出
调频
载波信号：
um Um cos mt
调制信号：
uc Uc cosct
调频波为：
u0 Uc cos(ct m f sin mt )
5.1.3数字式磁记录
数字式记录
数字记录采用on和off这两种有一定间隔的脉冲信号，主 要采用“1”和“0”这两种数值的信号。 数字信号记录有利用磁化方向记录和利用磁化反转记录两 种方式，记录原理如下：
要求薄膜与基底之间有很强的粘结力，因此必须 保持基底清洁度和材料的兼容性 为了使磁盘表面形貌均匀，基底必须有很好的抛光 对于硬盘来说，基底的硬度很重要，因此需要添加 非磁性附加层来提高硬度 附加层除了可提高硬度外，还可以减少缺陷
磁性层
早期
现今
磁性层制备方法很多，有电镀法、真空蒸镀法、溅射法 等，可根据不同的介质灵活采用。
Co-（Zr，Hf，Nb，Ta，Ti）二元系合金 薄膜和Co-Fe-B类金属非晶态薄膜
☞微晶薄膜磁头材料 Fe-Ta-C，Fe-Ta-N等 ☞多层膜磁头材料 ☞磁电阻磁头材料
Fe-C/Ni-Fe ；Fe-Al-N/Si-N；Fe-Nb-Zr/FeNb-Zr-N；Co-Nb-Zr/Co-Nb-Zr-N 等
第6章 磁记录材料
本章将要介绍的主要内容： ☞磁记录概述；
☞磁头及磁头材料 ；
☞磁记录介质及介质材料 ； ☞磁光记录材料 ； ☞磁泡及磁泡材料
6.1 磁记录概述
我们已经进入信息社会？
“知识大爆炸”？ 记忆靠人脑？
磁记录的起源


标志性事件：
人们一般认为磁记录是从1898年丹麦人普尔生(Valdemar Poulsen)发明钢丝录音机开始的。
（4）在涂布过程中用磁场对颗粒进行定向或打乱定向不是很有效。
6.3.3 薄膜介质
薄膜记录介质由基底、附加层、磁性层和保护层组成。 在磁层和附加层之间也可增加一层缓冲层。 保护层可以是单层的，也可以是多层的。 在保护层上还可以增加一层润滑层
保护层
磁性层
附加层 基底
薄膜记录介质的一般结构
基底和附加层
再生时获得足 够大的输出 保持相对稳定 的磁化状态 有效地再生记 录信号
磁
头：高磁通密度，高磁导率
对记录介质进行 有效地磁化
典型磁头示例
6.2.1磁头的种类
磁性合金：坡莫合金、仙台斯特合 金、 Fe-Al合金和Fe-Al-B合金 ； 电 磁 感 应 原 理
体型磁头
铁氧体磁头：Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn 铁氧体； MIG磁头：铁氧体磁芯间 隙中沉积一层软磁合金薄膜 工作缝隙小、磁场分布陡河磁迹宽度 窄，故可提高记录速度和读出分辨率
坡莫合金
6.3 磁记录介质及介质材料
日常生活中的磁记录媒体
6.3.1 磁记录介质应具备的特性
基本要求
高出力 高记录 密 度 低噪声 高可靠性
记录介质应具备的条件
1） 饱和磁通密度 2） 矩形比大 3）矫顽力在磁头允许的范围内尽可能的大 4） 作为磁化反转的单位的体积应尽量小， 大小及分布均匀 5） 磁学特性分布均匀，随机偏差小 6） 表面光滑，耐磨损，耐环境性好 7） 磁学特性对于加压、加热等反应不敏感 8）化学的、机械的耐久性优良 9） 不容易导电
实际上，上述各种磁各向异性机制是相互迭加而其作用的。
垂直磁记录头与介质材料
励磁线圈
铁氧体 磁记录层 主磁极（坡莫合金膜） Co-Cr合金
坡莫合金膜
基板 打底层 基板
6.2 磁头与磁头材料
磁头是指能对磁介质进行信息记录、再生及读取功 能的器件。 采用磁头与磁记录介质相组合的形式，通过磁头间 隙产生的漏磁通使磁性膜磁化 高密度存储要求： 磁记录介质：高剩磁，高矫顽力，矩形比接近1；
磁性粉
（1）-Fe2O3
矫顽力范围为20～32kA/m
矫顽力范围为55～70kA/m
（2）包覆Co的-Fe2O3
（3）CrO2 （4）金属磁粉 （5）氮化铁 （6）钡铁氧体
矫顽力范围为35～50kA/m
磁化强度和矫顽力比氧化物高，但易腐蚀 纯铁的MS＝1700kA/m
矫顽力可达51kA/m
矫顽力范围为100～900kA/m
基盘制作 （坯料） 基盘制作 （成膜基板） 如Al-5%Mg合金熔炼、铸造， 压延，圆板冲切，加压退火
内外径切削，两面研磨
薄膜型
洁净基板制作工程 电镀Ni，研 磨，洗净 磁性膜溅射， 碳膜溅射， 润滑液
涂布型
洁净基板制作工程
镜面研削，研 磨，铬酸盐光 泽处理，洗净
记录介质形成工程
检查工程
磁性膜涂布 记录介质形成工程 （磁性粉、粘 接剂、添加 剂），树脂硬 化，润滑膜 凹凸检查，磁性检 查，膜缺陷检查
b
大 幅 度 提 高 记 录 密 度
d
b.垂直磁化模式（b<d）
水平磁记录
环形磁头 磁性层 基体 运动方向 （a）
（b）
（c） 水平磁记录模式的记录和再生原理
垂直磁记录
为实现垂直磁化，磁体垂直磁各向异性K┴应满足：
M s2 K 20
☞使晶粒生长为柱状晶而引起的形状磁各向异性； ☞界面磁各向异性； ☞生长诱导磁各向异性； ☞晶体磁各向异性； ☞伸缩诱导磁各向异性；

意义：这一观点为今天的磁记录奠定了基础
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时间：1898年 人物：普尔生 事件：发明钢丝录音机，即在钢丝上记录声音，再把它再 生出来，并用听筒听所录的声音

意义：标志着磁记录技术的开端
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磁记录的起源

时间：1900年


人物：普尔生
事件：在巴黎万国博览会上，展出“钢丝录音机”这 一发明，轰动了整个博览会。 后续：由于钢丝录音机发出的声音太小，后来他又发 现使用一定的直流电流通过电磁铁可以得到较大的输
磁卡制备工艺流程
颗粒状介质的优缺点
优点：
（1）介质的磁性能由颗粒本身决定，其磁性能和非磁性能可独立改造 和控制； （2）颗粒状涂布介质生产速度块，产量高，成本低； （3）可提供或可开发的颗粒选择范围宽，只是受到磁头材料的限制。
缺点：
（1）磁性颗粒所占比重较小，使得涂层的磁性能和记录性能变差； （2）介质厚度较大； （3）磁性颗粒分散性难以控制，很难产具有理想记录特性的颗粒；
2.数字磁记录

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6.1.1 磁记录的基本过程
抹音磁头 录音磁头 放音磁头 驱动器
（a）
（b） （c）
记录信号时，录音磁头线圈上产生一个信号电流，该电流 将电磁铁磁化，在气隙处产生溢出磁场。当磁带转动通过 磁头气隙时，气隙处的溢出场将磁带磁化。磁带转动离开 气隙后，磁化部分残留剩磁，该剩磁即为记录信号。
1
1 0 1
0
0
a.利用磁化方向进行记录
b.利用磁化反转进行记录
数字信号调制原理
b 0 t 0 1 1 0 1 1 1 数字信号 记录介质
+I -I
记录电流
脉冲电压
（再生）
磁头行走方向
两种磁化模式
厚度d
排斥 S N N S 比特间距b （因排斥而发生退磁效应）
a.水平磁化模式（b》d）
N S
逐 渐 过 渡
脉冲编码调制PCM
无偏磁记录
信号转换成电流后，直接送入磁头线圈而记录在 磁介质上
缺点：信号失真、能量转换效率差、信噪比低等；
Fra Baidu bibliotek 偏磁记录
直流偏磁
交流偏磁记录
调幅
高频载波：
um Um sin mt
调制信号：
uc Uc sin ct
调制后：
uc ＝（Uc＋Um sin mt） sin ct
涂布型磁带主要由带基和附着其上的磁性涂覆层构成
有机粘接剂及润滑剂
磁性粉
Al2O3粉/铁丹粉/碳粉
记录层 带基
Al2O3微颗粒
涂布型磁带结构示例
有机粘接剂
磁性粉
Al2O3补强剂
记录层
基板
涂布型磁盘结构示例 常用磁盘分硬盘和软盘两大类：
硬盘是在厚度为1～2mm的铝合金盘基上附着磁记录层
软盘是在可挠性PET盘基上附着磁记录层
薄膜磁头
磁电阻磁头
利用磁电阻效应制成
电磁感应型磁头和GMR磁头
电磁感应磁头记录与再生原理
磁电阻磁头结构示意
I
I H 电极 M I
I：电流 H：外加磁场 M：磁化强度
电极
θ
6.2.2 磁头材料
主要包括下面几类：
☞合金磁头材料
含钼坡莫合金和仙台斯特合金
镍锌铁氧体和锰锌铁氧体
☞铁氧体磁头材料
☞非晶态磁头材料
放音时，从介质表面发散的磁通将进入放音磁头磁芯，从 而在磁头线圈中产生感应电压，该电压正比于磁通的变化 率。虽然线圈中的感应电压不可能是记录信号的精确重复， 但是经过适当的电路处理以后，就能重现记录信号。 存放过程中，不允许外加的杂散磁场超过用于记录的磁场 的强度，否则磁带中所记录的信息将出现错误。 抹音时，抹音磁头可以产生一个大于记录磁场强度的磁场， 就可以抹除原先记录的信息，抹除之后，记录介质又可准 备记录新的信息。
6.1.2 模拟式磁记录
无偏磁记录 无调制记录 偏磁记录
模 拟 式 磁 记 录
偏磁信号本身并不反映在磁介质的记录信号上。 通过磁头（电磁转换器）实现
调制记录
模拟信号或脉冲信号反 映在磁介质的记录信号 上。通过电子管、晶体 管等调制器来实现的；
调频制FM 调幅制AM
脉冲时间调制PTM 脉冲宽度调制PWM
磁性层 基板 （如PET等）
磁性层 基板 （如PET等） Ti膜
倾斜蒸镀可挠性软盘
准二层膜垂直记录可挠性软盘
硬盘
硬盘是在厚度为1～2mm的铝合金基盘上附着磁记录层
SiO2保护膜 磁性层 NiP 基板 （铝合金） 基板 （铝合金） 碳保护膜 磁性层 Ni-Fe膜 Ti
电镀磁性膜硬盘
垂直磁性膜硬盘
磁盘制备工艺
典型磁记录介质示例
常用的磁记录介质有磁带、磁盘和磁卡等
磁带是在基板上，沉积磁性层并构成复合材料膜层结构
磁性层（磁性粉＋
下面覆层
基板（带基） 10～15m
粘结剂）厚度为 1～4 m左右，表面 粗糙度0.1 m以下
底面覆层
磁带水平方向
磁带断面结构
磁盘
磁盘由在圆盘状盘基表面附着磁记录介质层构成。 常用磁盘分为硬盘和软盘两类： 软盘是在可挠性PET盘上附着磁记录层
真空蒸镀
溅射
溅射镀膜
基 板 单 晶 体
A
岛状生长模式
B
工艺控制因素：入射原子速度、能量；基板温度
影响形核及成膜的因素：表面扩散；停滞时间；再蒸发；体扩散
Co的单方向生长模式
c轴
[0001]方向
基板
为了获得高矫顽力，薄膜通常选用高各向异性的Co基合金
保护层和润滑层 记录层 （Co-Cr-Ta，Co-Cr-Pt等） 缓冲层 （Cr，Cr-Mn，Cr-Ta等） 基底和附加层
磁卡
磁卡方便信息的存储、读出，使用方便、安全、快捷， 保密性好
磁性条纹类型
附着磁性条纹卡
全磁性涂布卡
俯视图
附着磁性条纹 磁性层 侧视图 基体
基体
磁卡构造
保护层 银灰层 磁性层（5~15 m）
基体（PET188~250m）
磁性条纹
中心部分 （PVC，0.56mm）
过渡片
（PVC，0.1mm）