《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Magnetic shielding limitations during degaussing and thermal alternatives for data sanitization in hard disk drives
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硬盘外壳的电磁屏蔽效应导致高频退磁失效，现有标准未考虑频率因素。研究通过三维有限元建模和磁力显微镜验证，发现典型AC退磁频率（10-20kHz）下有效场强衰减三个数量级，残留数据可通过磁学方法恢复。对比电磁退磁与高温退磁（>居里点）的可靠性差异，指出DC或低频AC退磁更符合数据安全需求。该成果揭示现行认证设备可能无法彻底清除硬盘数据，存在合规漏洞。
Roman Szewczyk|Jakub Szalatkiewicz|Mariusz Hasiak|Anna Ostaszewska-Lizewska|Piotr Gazda|Peter Raback|Michal Nowicki
华沙工业大学计量与生物医学工程研究所，Sw. A. Boboli 8，02-525 华沙，波兰
摘要
为了确保退役硬盘驱动器的安全数据清除，必须完全消除其磁化并随机化磁畴结构。本研究探讨了电磁消磁与热消磁的有效性，并量化了一个之前未被考虑的因素：导电硬盘外壳的频率依赖性电磁屏蔽效应。通过三维有限元模型模拟了3.5英寸硬盘，在5 Hz至20 kHz的频率范围内，外部消磁器向记录表面传输的磁场情况，结果显示在商用交流消磁器（10至20 kHz频率范围内）作用下，磁场强度衰减了三个数量级。对15款商用产品的调查发现，制造商很少公开其工作频率，而现有的数据清除标准仅规定了最低应用场强，但没有涉及频率依赖性的屏蔽效果。对经过消磁处理的硬盘盘片的磁力显微镜观察证实了模拟结果：尽管经过了认证处理，仍存在残余磁信号；而热消磁后的样品在加热至居里点以上时，磁畴结构完全随机化，无法检测到任何磁道结构。本文对比评估了电磁消磁与热销毁方法，在场强传递效率、验证可靠性、组件可重复使用性及环境影响等方面进行了分析。这些发现揭示了现有标准中的合规性漏洞——某些认证过的消磁设备可能使硬盘无法正常使用，但存储的数据仍可被恢复。
引言
企业数据中心、政府机构和商业组织中安装的硬盘驱动器数量庞大，存储着大量敏感和受监管的数据。GDPR [1]、HIPAA [2] 和 NIS2 [3] 等法规对数据销毁过程有严格要求。近年来每年出货的硬盘数量约为2.6亿台 [4], [5]，因此安全销毁磁存储介质已成为一项重要的运营和合规挑战。由于存储设备清理不当导致的数据泄露事件引发了监管处罚、声誉损害乃至国家安全问题，这凸显了可靠数据清除方法的重要性。
长期以来，电磁消磁一直是快速、无需验证即可销毁磁介质的首选方法。该方法得到了美国国家安全局 [8], [9] 2025年9月发布的NIST特别出版物800–88 Rev. 2 [7] 以及IEEE 2883–2022标准的认可。该过程通过将存储设备暴露在强外部磁场中来实现，理想情况下能够使磁介质的磁畴结构随机化，从而使存储的数据无法恢复。商用消磁设备经过认证，应用广泛，且无需拆卸硬盘即可完成处理，相较于基于软件的方法或物理销毁方式更具实用性。
然而，一个关键问题亟待解答：消磁过程究竟能在多大程度上真正清除数据？还是仅仅损坏了磁头组件和伺服磁道，而盘片表面的数据仍基本保持完整？这一区别构成了一个重要的安全威胁边界。如果攻击者能够获取经过消磁但磁结构未受损的硬盘盘片，他们可以利用洁净室环境提取盘片、重建伺服磁道，并利用磁力显微镜恢复数据。具备此类能力的机构包括资源丰富的法医实验室和国家情报机构。Gutmann [38] 已建立了从磁介质中恢复数据的理论基础，包括使用磁力显微镜的技术。
所有消磁标准的前提都是施加的磁场能够以最小衰减程度到达记录表面。然而，3.5英寸硬盘的物理结构在外部磁场源与磁介质之间存在多层导电层：厚度约为1至3毫米的冲压钢盖、厚度约为3毫米的铸铝底座，以及制造在铝或玻璃陶瓷基底上的盘片。当交流消磁器产生交变磁场时，这些导电层会产生涡流，从而削弱磁场强度。这种频率依赖性的电磁屏蔽效应受到“趋肤效应”的影响，而现有标准并未对此予以充分考虑。
现有的数据清除标准存在一个重大缺陷：它们仅规定了应用场强，而没有考虑工作频率或电磁屏蔽后的实际场强。第2.4节分析了三大主要标准（NIST SP 800–88 Rev. 2、NSA/CSS EPL和IEEE 2883–2022）的具体局限性。本文量化了这一缺陷的程度及其实际影响。
本研究有四个主要贡献：首先，利用开源ELMER有限元软件（FEM）建立了3.5英寸硬盘的三维有限元模型，预测了5 Hz至20 kHz频率范围内的磁场传输情况；其次，通过磁力显微镜观察消磁后的硬盘盘片，验证了模拟结果；第三，对15款商用消磁产品进行了调查，分析了设备规格中工作频率的披露情况；第四，对比评估了消磁与热销毁方法，为组织决策提供了依据。研究结果表明，频率依赖性的电磁屏蔽效应可使消磁场强度降低三个数量级，这对依赖交流消磁进行数据保护的机构具有重大意义。
现代硬盘中的磁记录技术
现代硬盘采用垂直磁记录（PMR）技术 [11], [12]，取代了传统的纵向磁记录方式。在PMR技术中，数据位存储在由钴基合金制成的薄记录层中的垂直磁畴中，这些合金的晶粒尺寸为5至8纳米，总厚度为10至20纳米 [10], [11]。记录层由一层软磁底层（通常为CoFe或FeNi合金，厚度为20至200纳米）支撑。
有限元建模
本研究采用开源工具链进行有限元建模（FEM）。使用NETGEN 6.2 [27] 创建了四面体网格，描述了材料属性，并使用ELMER FEM 9.0 [28]求解了磁动力方程。后处理工作由GNU Octave 10.2 [29] 完成。建模过程基于2009年生产的Samsung HD083GJ硬盘驱动器的结构进行分析。
频率依赖性的磁场衰减
衰减效应在两种模式下进行了测试：一种是磁场垂直于硬盘表面施加，另一种是平行于硬盘最长尺寸施加。磁化场频率范围为5 Hz至20 kHz。图3展示了硬盘盘片表面的磁场分布情况。
衰减程度显著受磁化场频率影响。此外，衰减分布极不均匀：某些区域在磁化过程中被有效消磁。
讨论
本研究中发现的频率依赖性衰减现象对消磁实践具有重要意义。在商用交流消磁器常用的1 kHz频率下，平行场配置下的平均衰减接近40 dB，对应的传输系数约为1%。因此，要使记录表面的场强达到400至800 kA/m（5至10 kOe）以超过现代PMR介质的矫顽力，所需的外部场强高达40,000……
数据清除方法的比较评估与实际建议
为了帮助组织决策，表6从技术和环境角度比较了四种主要的硬盘数据清除方法。
对比结果显示，直流消磁或低频交流消磁（100 Hz及以下）是针对组装好的硬盘最实用的电磁清除方法，它结合了足够的场强传递效果和现有的合规要求。然而，工作频率高于500 Hz的交流消磁器在硬盘内部会产生显著衰减。
结论
研究表明，导电硬盘外壳的频率依赖性电磁屏蔽效应是数据清除效果中的一个关键但未被充分量化的因素。有限元模拟显示，外部消磁器向记录表面传输的磁场强度从直流下的约100%降低到交流消磁器典型频率（10至20 kHz）下的0.01%至0.1%，即衰减了三个数量级。
CRediT作者贡献声明
Roman Szewczyk：负责撰写初稿、软件开发、方法论设计、数据整理和概念构建。Jakub Szalatkiewicz：负责审稿与编辑、验证工作、资源协调、数据整理和概念构建。Mariusz Hasiak：负责审稿与编辑、数据可视化、研究工作和概念构建。Anna Ostaszewska-Lizewska：负责审稿与编辑、数据可视化、方法论设计、数据整理和概念构建。Piotr Gazda：负责审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究是在EUREKA项目（项目编号：EUREKA/AI-REC/13/2022）框架下进行的，2024至2025年间得到了波兰国家研发中心（NCBR）的联合资助。
