CN1201990A - 锰锌基铁氧体单晶材料和高频磁头 - Google Patents

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Abstract

一种锰锌基铁氧体单晶材料,包括锰锌基铁氧体和基于所述锰锌基铁氧体量的1—7wt%的氧化镍。通过向锰锌基铁氧体添加特定量的氧化镍,在20MHz或更高的高频范围可将起始导磁率的降低减至最小并可将电阻率加大。具有本发明锰锌基铁氧体单晶材料制造的磁心小片的磁头显示减少涡电流损耗,并且特别改良在20MHz或更高的高频范围记录和读取特性。

Description

锰锌基铁氧体单晶材料和高频磁头
本发明涉及锰锌基铁氧体单晶材料，具体涉及用于磁头的锰锌基铁氧体单晶材料，所述磁头是用于诸如硬盘驱动器、数码带头等的复合体磁头，能够在高频范围内于磁记录介质上磁录数据并读取记录的数据。
近来，为了满足增加磁记录介质的记录密度的要求，要在高频范围于磁录介质上运行磁记录和磁读取。在记录和读取磁带时使用的高频磁头以VTR表示，铁氧体一直用作磁心材料。随着运行频率从大约0.1MHz增加到7-10MHz，具有高饱和磁通密度(Bs)和高起始导磁率(μ)的磁心所用的铁氧体材料，由镍锌基多晶铁氧体、锰锌基多晶铁氧体改变到锰锌基单晶铁氧体。本文所用术语“起始导磁率”简单地意指本领域的导磁率或导磁性。
作为在大约5-10MHZ运行的磁心所用的磁性材料，JP 1-290207公开一种氧化物磁性材料，其特征在于其中锰锌铁氧体包括50-60摩尔％的氧化铁，5-30摩尔％的氧化锌和10-45摩尔％的氧化锰，该锰锌铁氧体加有0.5wt％或更低的一种或多种选自氧化钇、氧化镓、氧化铕和氧化铽的添加剂。该文章进一步告知，氧化物磁性材料可进一步添加至多高达0.5wt％的至少一种选自CaO，ZrO，Al2O3，SiO2和In2O3的添加剂。
JP 2-21603公开一种用于磁头的单晶铁氧体材料，它含有作为第一添加剂的以固溶体状态的至少一种以下物质：0.2-1.5摩尔％的Ca，0.15-1.2摩尔％的Sr和0.1-1.1摩尔％的Ba，每种的摩尔比是基于CaCO3，SrCO3，和BaCO3，并且其组成是在Fe2O3/MnO/ZnO的摩尔比为52/29/19，52/42/6，57.5/36.5/6和55/26/19四个点所限定的四边形区域。文章进一步告知单晶铁氧体材料还含有0.5-2.5摩尔％的作为第二添加剂的至少一种Sn、Ti、Zr、Ge和Si，每一种以SnO2、TiO2、ZrO2、GeO2和SiO2为基；0.1-1.5摩尔％作为第三添加剂的以CoO为基的Co；0.5-2.5摩尔％作为第四添加剂的至少一种Ni、Cr、Y和In，以Ni2O3、Cr2O3、Y2O3和In2O3为基；和0.15-1.0摩尔％作为第五添加剂的至少一种稀土元素，以其三价氧化物为基。但是，发现这些材料仅在大约5-10MHz频率范围使用。
考虑到高频使用的单晶铁氧体，JP 54-90600公开一种可用于高频的单晶铁氧体的制备方法。该方法中，原料包括10-30摩尔％的NiO、1.8-12摩尔％的MnO、15-35摩尔％的ZnO和49-59摩尔％的Fe2O3，使其熔化，随后在低压氧下生长晶体。文章告知起始导磁率在50MHz得到改良。但是这种单晶铁氧体的起始导磁率在超过50MHz频率范围区域急剧降低。
最近，在使用磁盘的HDD中作为磁记录介质的浮动型磁头，要求极大地增加记录密度并且还要增加磁记录读取的频率。为了满足这种高频记录读取的要求，使用锰锌基铁氧体单晶作为构成浮动型磁头的磁心材料。
然而，常规锰锌基铁氧体单晶制造的磁头，其使用仍然限制在一定的频率范围，而且发现在更高的频率范围不可能得到足够的磁性能。就是说，常规锰锌基铁氧体单晶制造的磁心在大约10Mhz或更低的频率范围表现足够的磁性能；但是在超过30MHz的高频范围，起始导磁率降低到大约100，导致损坏记录读取特性。
如上所述，用公知化学组分的锰锌基铁氧体单晶制造的磁心在30Mhz或更高频率范围使用时，遇到的问题是降低磁心的起始导磁率和增加涡电流损耗，这样，由于降低的S/N比(信噪比)依次造成磁记录效率低和还原记录数据的信号失败。
因此，本发明的一个目的是提供一种锰锌基铁氧体单晶材料，它在高频范围显示出几乎不减少起始导磁率并将涡电流损耗减至最小。
出于上述目的专心研究的结果，本发明人发现，通过向锰锌基铁氧体添加1-7wt％的氧化镍(NiO)可将高频范围起始导磁率的降低减至最小，还发现添加这种量的氧化镍可加大电阻率而减少磁心的涡电流损耗。基于这些发现而完成了本发明。
所以，本发明第一方面，提供一种锰锌基铁氧体单晶材料，包括锰锌基铁氧体和基于锰锌基铁氧体1-7wt％的氧化镍。
本发明第二方面，锰锌基铁氧体单晶材料具有包括50-60摩尔％的氧化铁，5-30摩尔％的氧化锌和10-45摩尔％的氧化锰，和基于锰锌基铁氧体量的1-7wt％的氧化镍的化学成分。
本发明第三方面，锰锌基铁氧体单晶材料和不含氧化镍的锰锌基铁氧体相比，在50-100MHz频率范围其起始导磁率要大两倍到三倍。
本发明第四方面，提供一种磁心组件，包括具有第一小面的第一磁心；具有相对位于并间隔于第一小面的第二小面的第二磁心；和位于第一和第二小面之间的间隙材料，其中第一和第二磁心两者是由上述锰锌基铁氧体单晶材料制造的。
本发明第五方面，提供一种磁心组件，包括具有第一小面的第一磁心；具有相对位于并间隔于第一小面的第二小面的第二磁心；在第一小面上沉积磁性软金属的第一薄层；第二小面上沉积磁性软金属的第二薄层；和位于第一和第二薄层之间的间隙材料，其中第一和第二磁心两者是由上述锰锌基铁氧体单晶材料制造的。
图1(a)曲线表明对本发明和公知锰锌基铁氧体单晶材料所测量的起始导磁率与频率的关系；
图1(b)曲线表明对本发明其他锰锌基铁氧体单晶材料和公知锰锌基铁氧体所测量的起始导磁率与频率的关系；
图2曲线表明电阻率与氧化镍添加量的关系；
图3曲线表明复原输出水平与频率的关系；
图4透视图表示浮动型复合体磁头，其中磁心小片是由本发明锰锌基铁氧体单晶材料制造的；
图5放大的透视图表示图4的磁心组件3。
本发明锰锌基铁氧体单晶材料包括用氧化镍(NiO)添加的锰锌基铁氧体。
本发明使用的锰锌基铁氧体的化学组成是：其中含有0-10摩尔％FeO的50-60摩尔％的氧化铁，5-30摩尔％的氧化锌和10-45摩尔％的氧化锰，优选50-60％摩尔％的氧化铁，5-25摩尔％的氧化锌和15-45摩尔％的氧化锰。
对锰锌基铁氧体的氧化镍添加量，基于锰锌基铁氧体量是1-7wt％，优选3-5wt％。当这个量低于1wt％时，起始导磁率在高频范围急剧降低，使添加氧化镍的作用失效。当氧化镍添加量超过7wt％时，所得锰锌基铁氧体似乎是多晶结构。由于多晶磁心产生噪声而损坏磁头特性，多晶铁氧体材料不适合用于高频磁头。
从得到更多改良高频特性的角度出发，FeO·Fe2O3，NiO·Fe2O3，和MnO·Fe2O3的总摩尔量优选等于或大于ZnO·Fe2O3的摩尔量。就是说本发明锰锌基铁氧体单晶材料以摩尔量优选满足关系式：
(Fe+Ni+Mn)O·Fe2O3≥ZnO·Fe2O3
除氧化镍外，锰锌基铁氧体可进一步添加至少一种选自钙、镁和铜的氧化物的氧化物，其量基于锰锌基铁氧体总量为0-3wt％。
本发明锰锌基铁氧体单晶材料可用布里曼晶体生长法等制造。原料既可以是锰锌基铁氧体粉和镍粉的粉末混和物，也可以是氧化铁粉、氧化锌粉、氧化锰粉和氧化镍粉的粉末混和物，每种都可含有或不含前述任选的氧化物。加入水后，在球磨机内一般经过大约4小时的良好混和，然后在大约200℃干燥。干燥的原料在空气中于1000-1200℃烧结大约1-3小时。烧结产物在粉碎机内压碎成粒度为5-10mm的熔渣。然后将熔渣放入其内有合适籽晶的坩埚。坩埚一般用铂、铂铑等制造。之后将坩埚放入峰值温度为1630-1700℃的具有温度梯度的高温炉内使熔渣熔化，并且在含有50-90体积％氧的气氛、于大气压力(约1 atm)下从熔体生长单晶。晶体生长速度优选3-5mm/小时。晶体生长完成后将生长炉冷却到室温并从坩埚取出锰锌基铁氧体单晶材料。
通过煅烧和烧结有多晶结构的铁氧体材料达不到本发明所展现的高频磁性能。还有，当数码带头的磁心由这种多晶铁氧体材料制造时，磁头会产生摩擦噪声。
上述方式制造的本发明锰锌基铁氧体单晶材料和不含氧化镍的锰锌基铁氧体相比，其起始导磁率在50-100MHz频率范围要大两倍到三倍。在几个频率的起始导磁率的这些数值将充分说明，本发明已使起始导磁率在高频范围的降低减至最小。本发明锰锌基铁氧体单晶材料的电阻率是0.1-30Ω·cm。
本发明中，电阻率是按照本领域一般使用的方法测量的。起始导磁率测量如下。自锰锌基铁氧体单晶材料切断一个环(内径3mm，外径5mm，厚度0.45mm)，使单晶的(111)面构成环的平坦面。为去除加工应力，将环在氩气氛、于800℃加热2小时退火。退火的环缠绕10圈金属丝(外径0.2mm)，通过阻抗分析仪测量阻抗(感应)。
本发明锰锌基铁氧体单晶材料适合用作HDD和数码带记录带头的复合体磁头的磁心。图4透视图表现的浮动型复合体磁头所具有的磁心小片就是本发明锰锌基铁氧体单晶材料制造的。浮动型复合体磁头包括非磁性滑片1，沿滑片1的侧轨5、6之一纵向伸展的槽缝2，在槽缝2内接受的磁心组件3，和将磁心组件3固定在槽缝2内的连接玻璃4。图5放大的透视图表示图4的磁心组件3。磁心组件3由C型磁心小片11和I型磁心小片12构成。磁心小片11和12的平面彼此间隔面面相对以便限定一个磁性间隙16，这个间隙16用诸如玻璃的间隙材料15填充。在磁心小片11、12面上，沉积磁性软金属薄层13、14，以便令其通过间隙材料15彼此相对。作为磁性软金属，可使用FeTaN，FeAlSi等。磁性软金属的饱和磁通密度从增强本发明所得有益效果考虑，应当大一些，优选1.3-1.7T。
由于磁心小片11、12是由本发明锰锌基铁氧体单晶材料制造，磁头可在高频范围有足够高的起始导磁率，甚至在20-100MHz频率范围也能提供低噪声的高频磁头。为了得到足够的复原输出水平，磁头优选在30-70MHz频率范围使用。具有本发明锰锌基铁氧体单晶材料制造的磁心小片的磁头，同用不含氧化镍锰锌基铁氧体制造磁心小片的磁头相比，在50-80MHz频率范围其复原输出水平要高10-40％。
应当注意，图4和5的磁头仅仅是使用本发明的一个实例，本发明还可用于其他类型的磁头。
现参照以下实施例进一步说明本发明，应当认为这仅是说明本发明的优选实施方案。
实施例1
基于100重量份的每种锰锌基铁氧体粉，向每种锰锌基铁氧体(A)粉(A化学组成：MnO/ZnO/Fe2O3＝27.5/18.5/54，摩尔比)和锰锌基铁氧体(B)粉(B化学组成：MnO/ZnO/Fe2O3＝32/13/55，摩尔比)添加3重量份(A1和B1)或5重量份(A2和B2)的氧化镍粉(NiO)。
加入水后，在球磨机内经4小时良好混和粉末混和物并于200℃干燥。干燥的材料在空气中于1200℃烧结2小时，再放入粉碎机内粉碎成粒度5-10mm的熔渣。然后将熔渣放入其内有合适籽晶的铂坩埚。之后将坩埚放入峰值温度为1630-1700℃具有温度梯度的高温炉使熔渣熔化，并且在含有80体积％氧的气氛下于大气压力(约1 atm)下让单晶从熔体生长，从而得到本发明锰锌基铁氧体单晶材料(A1)，(A2)，(B1)和(B2)。晶体生长速度控制在3-5mm/小时范围。
以前述方式在各种频率测量由此得到的锰锌基铁氧体单晶材料和没有氧化镍(NiO)的对照锰锌基铁氧体(A)和(B)的起始导磁率。锰锌基铁氧体单晶材料(A1)和(A2)以及锰锌基铁氧体(A)的结果列于图1(a)，锰锌基铁氧体单晶材料(B1)和(B2)以及锰锌基铁氧体(B)的结果列于图1(b)。
如图1(a)和(b)所示，任何锰锌基铁氧体单晶材料和对照锰锌基铁氧体的起始导磁率都随着频率的增加而降低。但是，含有氧化镍的锰锌基铁氧体单晶材料同没有氧化镍的对照锰锌基铁氧体相比，在大约10-100MHz频率范围表现出这种降低减至最小。具体言之，如图1(a)所示，在20-100MHz高频范围锰锌基铁氧体单晶材料(A1)和(A2)的起始导磁率大于锰锌基铁氧体(A)的起始导磁率，在100MHz，锰锌基铁氧体单晶材料(A1)和(A2)的起始导磁率比锰锌基铁氧体(A)大两倍或更多。特别是含有5wt％氧化镍的锰锌基铁氧体单晶材料(A2)，其起始导磁率在高达约70MHz时仍大于100。如图1(b)所示，在30-100MHz频率范围锰锌基铁氧体单晶材料(B1)和(B2)的起始导磁率大于锰锌基铁氧体(B)的起始导磁率。
因此，起始导磁率的测量结果表明，本发明锰锌基铁氧体单晶材料的起始导磁率在50MHz是120-140，在80MHz是79-90，而在100MHz是50-70。
实施例2
使用实施例1同样的每种锰锌基铁氧体粉(A)和(B)，用几种含量的氧化镍按照实施例1同样方式制备锰锌基铁氧体单晶材料。使用本领域一般通用方式测量由此制造的锰锌基铁氧体单晶材料和锰锌基铁氧体(A)和(B)的电阻率。结果列于图2。如图2所示，随着氧化镍添加量的增加而加大电阻率以便减少涡电流的损耗。但是，可以确认，当氧化镍添加量超过7wt％时锰锌基铁氧体材料有多晶结构。
实施例3
制备图4所示复合体磁头，是使用含有3wt％氧化镍如实施例1制造的锰锌基铁氧体单晶材料(A1)来制备磁心小片。由饱和磁通密度1.6T的FeTaN形成磁性软金属薄层。
同样方式另外制备对照磁头，不同之处在于使用不含氧化镍锰锌基铁氧体(A)制造磁心小片。
采用本领域常规方法测量两种复合体磁头的复原输出水平。结果列于图3。如图3所示，尽管磁头在40MHz显示同样的输出水平，但是在40-100MHz高频范围时，本发明磁头与对照磁头相比显示出高输出水平。

Claims (13)

1.一种锰锌基铁氧体单晶材料，包括锰锌基铁氧体和基于所述锰锌基铁氧体量的1-7wt％的氧化镍。
2.根据权利要求1的锰锌基铁氧体单晶材料，其中所述锰锌基铁氧体的化学组成是其中包括0-10摩尔％FeO的50-60摩尔％氧化铁，5-30摩尔％的氧化锌和10-45摩尔％的氧化锰。
3.根据权利要求2的锰锌基铁氧体单晶材料，其中FeO Fe2O3，NiO Fe2O3，和MnO·Fe2O3的总摩尔量优选等于或大于ZnO Fe2O3的摩尔量。
4.根据权利要求1或2的锰锌基铁氧体单晶材料，其中氧化镍的添加量基于所述锰锌基铁氧体量是3-5wt％。
5.根据权利要求1或2的锰锌基铁氧体单晶材料，其中所述锰锌基铁氧体单晶材料还包括至少一种氧化物选自Ca，Mg和Cu的氧化物。
6.根据权利要求1或2的锰锌基铁氧体单晶材料，其中所述锰锌基铁氧体单晶材料与不含氧化镍的锰锌基铁氧体相比，其起始导磁率在50-100MHz频率范围要大两倍到三倍。
7.一种用于高频磁头的磁心组件，包括：
具有第一小面的第一磁心；
具有相对位于并间隔于第一小面的第二小面的第二磁心；和
位于第一和第二小面之间的间隙材料；
其中第一和第二磁心两者是由权利要求1或2限定的锰锌基铁氧体单晶材料制造的。
8.根据权利要求7的磁心组件，其中所述磁头的记录和读取作业是在20-100MHz频率范围运行的。
9.根据权利要求7的磁心组件，其中所述磁头的记录和读取作业是在30-70MHz频率范围运行的。
10.一种用于高频磁头的磁心组件，包括：
具有第一小面的第一磁心；
具有相对位于并间隔于所述第一小面的第二小面的第二磁心；
在所述第一小面上沉积磁性软金属的第一薄层；
在所述第二小面上沉积磁性软金属的第二薄层；和
位于所述所述第一和第二薄层之间的间隙材料；
其中第一和第二磁心两者是由权利要求1或2限定的锰锌基铁氧体单晶材料制造的。
11.根据权利要求10的磁心组件，其中所述每种磁性软金属的第一和第二薄层有1.3-1.7T的饱和磁通密度。
12.根据权利要求10的磁心组件，其中所述磁头的记录和读取作业是在20-100MHz频率范围运行的。
13.根据权利要求10的磁心组件，其中所述磁头的记录和读取作业是在30-70MHz频率范围运行的。
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