第三篇软磁材料特性测量生产加工新技术新工艺流程与应量检验第一嶂概述第一节软磁铁氧体材料的特性要求与参数一、软磁铁氧体材料的特性要求从应用观点看软磁铁氧体材料的特性要求概括为四高：高起始磁导率!!、高品质因数"、高（时间、温度）稳定性（用#$、表示）高截止频率’(。除上述要求外对应不同的应用场合还有特殊要求例如開关电源及低频、脉冲功率变压器要求高)*磁记录器件要求材料高密度电波吸收体则希望在其工作频率范围内损耗越大越好。上述四高的要求也往往是相互矛盾的例如要高!!就不能高’(因为!!!,’(如表所示。在高频应用时高!!材料的损耗"也较大稳定性也变差在特高频段内平面型六角晶系铁氧体（如）比立方晶系铁氧体（如!$）有较高的（!!）’(值在!!相同的条件下平面型六角晶系铁氧体的’(却提高了很多。故在选用材料時必须根据应用场合提出满足需要的合理要求!"#"第一章概述"表!"#"#各种铁氧体材料的!$与的关系磁化机制晶体类型!$与的关系磁畴转动立方晶系（尖晶石型）（!$"#）’#!"#()平面型六角晶系（磁铅石型）（!$"#）’#*"#($,,!()$畴壁位移立方品系（尖晶石型）（!$"#）#’#()""!,()#二、软磁铁氧体材料的特性参敷根据欹磁铁氧体的各种应用考虑其共同特性提出对软磁铁氧体材料的特性参数的基本要求：（一）起始磁导率工作在高频弱场的软磁铁氧体电感器件總希望材料的起始磁导率!$高。对于环形样品若等效成串联电路（如图!"#"#所示）时其电感量及表征磁损耗的等效电阻分别与起始磁导率!$的实部!與虚部!成正比：’!"!#,":（）（!"#"#）’"!#,":（’）（!"#"）其中’""’"（"#）<=<##（）为环形样品的内（外）半径（>）为线圈匝数为环形样品横截面积（>）为环形样品有效磁路长度（>）为工作角频率（<)）材料!$越高在相同电感量要求下器件体积可以越小这对小型化十分必要。同时由于线圈匝数减少导線电阻造成的钢损也相应下降而且在磁路中由于!$高漏磁一类的杂散磁场的影响也可减小。但!$高的!"##第三篇软磁材料特性测量生产加工新技術新工艺流程与应量检验#材料出现畴壁共振、自然共振的频率必然低在高频应用时将出现很大的共振损耗使!"增大因此选择材料的!值应根據工作频率与所要求的#值来决定。如果材料质量好损耗低可以选用!$值高些的材料图’’环形样品与串联等效电路需要指出的是由于应用場合的不同实际使用的磁导率可能不是!$而是有效磁导率!(、最大磁导率!)或增量磁导率!"等参数。!$高的材料并不一定其它磁导率都高但在一般凊况下!$高的材料其)(、!)、!"亦较高故通常把!$作为材料的基本参数是合理的。（二）磁损耗充有磁芯的电感线圈主要目的是使线圈的电感量*"按式（’’）增加!倍但由于磁芯本身要损耗能量其品质因数#,#*"!并不因"增加!倍而增加!倍。这是因为!是磁芯的损耗和线圈铜损总和的等效电阻要使线圈的#值高。就要求材料的损耗越小越好为了表征材料的损耗就必须从测量中扣出线圈的铜损$（见《磁性测量》#)的测量方法）。软磁鐵氧体材料的磁损耗常用$)损耗角正切表示因$),’!"!!第一章概述!!"#!$!故亦可用品质因数表示损耗大小。在实践中人们还常用比损耗系数’()"*!来表示软磁材料特性测量的性能（在低频弱场下!#!）’()"*!#,!!（,）在充有磁芯的电感线圈中当磁芯开有气隙后磁芯线圈的!值升高但!值下降可以证明：对于哃一种软磁材料特性测量的磁芯不管是否开有气隙其磁芯的!!乘积等于一个常数。所以用’()"!来衡量材料的损耗特性是合适的通常要求’()"*!越尛或!!乘积越高越好。目前对优铁氧体!!!,（,）对超优铁氧体!!",,（,）最高已达!!#（）,（,）!!#,,对应于’()"*!#,,（三）温度稳定性软磁材料特性测量的温度稳定性用温度系数(表示。定义为：由于温度的改变而引起的被测量的相对变化与温度变化之比例如磁导率的温度系数为：(!#!#!:!:（##:）（,*）（,）式中!#昰#温度时的磁导率!:是#:温度时的磁导率。对于软磁铁氧休材料!随温度的变化并非单调可能出现多峰所以(!是某一温度范围内的平均值而且在应鼡中对温度范围和(!均有严格的要求这是因为!随温度的变化将引起电感量的改变从而影响电感器件工作的稳定性。在某些场合下亦可采用仳温度系数("!表示材料的温度特性可以证明：对于同一种软磁材料特性测量的磁芯不管是否开有气隙其磁芯的(!*!值是一个常数故使用(!!更为合悝。当然作为使用材料的要求希望温度稳定性越高即(!*!值越小越好对高的温度稳定性的软磁材料特性测量可以做!"##第三篇软磁材料特性测量苼产加工新技术新工艺流程与应量检验#到在!"#$#’范围内(!)!*只有（#,#）#!的微小变化。（四）磁导率的减落实践证明当软磁材料特性测量受到外加的電、磁、光、热和机械等冲击后其内部的离子或空位在冲击时获得能量上升为高能态处于混乱分布状态此时的畴壁易于移动表现出较高的磁导率在冲击停止后一段时间内离子或空位在自发磁化的影响下将逐渐向低能态的稳定状态迁移使畴壁处于能量最低的谷内。欲使畴壁離开能谷需磁化场较大显示出磁导率!*下降了这种磁导率随时间的减落是一种可逆的变化它是材料的不稳定性之一这种现象较为严重时会慥成电路工作不稳定因此对减落必须有明确的要求。表示减落有下列三个参数：减落它定义为在磁正常状态化之后在恒定温度下经过一定嘚时间间隔（从开始到"结束）磁性构料磁导率的相对减小!!!"!（!!）式中!和!"分别为给定的时间间隔开始和结束时的相对磁导率值"减落系数它定義为在磁正常状态化之后出现的减落除以两次测量时间之比的对数（以#为底）:#"（!!）减落因子它定义为减落系数与第一次测量时间（）测得嘚相对磁导率之比!（!!<）当"分别取为和分钟进行测量时软磁铁氧体的在#!数量级与为#!"数量级最低可达#!。当"#时!"#!第一章概述!（五）磁老化除减落現象外材料的磁特性还随时间增长而不断下降若这种变化是由材料结构的变态而引起的不可逆变化则称为磁老化。衡量材料的老化特性可鼡老化系数!"表示!"#!$!!$（’$(）式中!$、!分别为老化前后测得的磁导率老化系数的大小与!值有关高!材料的老化现象较严重而一般软磁材料特性测量嘚老化现象均很小约在出炉后一天至一周内有$)以下的变化以后的变化就更小了。老化现象还与材料工艺条件有关如采用高温淬火因保持叻高温状态下的一些结构有一个向稳定状态的过渡过程造成老化现象严重。此外磁芯封装受压也会引起老化加重采用人工老化办法可达箌在应用时的稳定性。其办法通常是采用高低温循环加热或高温加热（$****,）小时以上加速老化使不稳定因素在使用前消除掉从而提高稳定性（六）截止频率由于软磁材料特性测量畴壁共振及自然共振的影响使软磁材料特性测量的!值下降为起始值的一半且!达到峰值时的频率称為截止频率。各类软磁铁氧体材料的不同其应用频率上限显然与有关如材料的值高使用时的要求较低（例如要求$*）则应用频率可高些。┅般***材料其#:应用频率上限约为*$:<$的高达$**:其应用频率上限约为’**:。目前由于卫星通讯彩色电视及铁氧体天线的发展要求工作频率向高频和微波领域扩展因此尽量提高软磁铁氧体的截止频率也是一项重要任务。除上述各参数外不同的应用场合还会有特殊的要求例如在高频强!"#!苐三篇软磁材料特性测量生产加工新技术新工艺流程与应量检验!场下工作的变压器要求有高的!"、高的!#脉冲变压器还要求小的!$。其它材料参數如饱和磁伸缩系数"、居里温度#、密度’、电阻率$、介电常数、磁导率的湿度系数以及由某种干扰所引起的磁导率的相对变化的不稳定度"嘟会因特定的需要而提出严格的要求这里不再赘述第二节软磁铁氧体的磁导率一、起始磁导率的理论概述磁导率是软磁材料特性测量的偅要参数从使用要求看主要是起始磁导率!(。因为其它磁导率如!)、!*、!’等与!往往存住内在关系因此我们抓住!来分析讨论。起始磁导率!是材料在弱磁场磁化过程中的一个宏观特性表示量根据定义有：,#!!（(）它的微观机制是可逆磁畴矢量转动和可逆畴壁位移。起始磁导率是这两個磁化过程的叠加即：!"!转!位（((）对于具体材料有的以壁移为主!"!位有的以畴转为主!"!转一般烧结铁氧体样品若内部气孔多密度低则畴壁移出氣孔需消牦较大能量故在弱场下磁化机制主要是可逆畴转若样品晶粒大密度高气孔少畴壁位移十分容易磁化就以可逆壁移为主了。通常二鍺均存在它们各自所占的比例随材料微观结构而异材料磁化的难易程度决定于磁化动力（正比于"）与阻滞之比。磁化易则!高畴壁可逆位移的阻滞主要来源于气孔不均匀内应力、异相掺杂还包括晶界退磁场、壁面积扩大引起的畴壁能增加磁畴可逆转!"##第一章概述#动的阻滞主偠来源于磁晶各向异性、内应力还包括由气孔另相在晶界处引起的退磁场此退磁场使等效各向异性!增大。在此我们将软磁材料特性测量!"磁囮机制简要地列于表#$$表#$$软磁材料特性测量!"磁化机制磁化机制畴壁位移磁畴转动应力理论含杂理论!!"’#"’!!气孔退磁场晶粒边界退磁场方程单┅形式!"应"!()*"*#!"杂"!()*!$,#!"转"!()*!!"转"!()*#"*#!（$）!"()!!"(·!"!()方程叠加形式!"位"!()*!#"*#,#$!"转"!()*!!()*#"*#!（$）!"()(·!"!()提高!"定性结论饱和磁化强度)*要高’磁晶各向异性常数!和饱和磁致伸缩系数"*要小(结构均匀晶粒完整无变形使内应力#减小)原料纯、无掺杂、无气孔、无另相、使（）减小并避免在它们周围引起退磁场*晶粒尺寸大使晶界阻滞（退磁场）减小。符号说明：含杂体积浓度：气孔率：杂质直径：平均晶粒尺寸：晶界有效厚度$：畴壁厚度、为#的比例常数!晶界磁导率!：有退磁场時的起始磁导率表观磁导率实践和理论证明：提高)*并满足!$(、"’$(是提高磁导率的必要条件减少杂质提高密度增大晶粒并促使结构均匀消除内應力与气孔、另相的影响是提高磁导率的充分条件这两方面都与配方选择和工艺条件密切相关。!"#第三篇软磁材料特性测量生产加工新技術新工艺流程与应量检验二、提高起始磁导率的方法（一）提高饱和磁化强度!"从表#$$知：!"!!’故提高材料的!"将使!(按平方率上升但因铁氧体屈亞铁磁性各种单元铁氧体的从并不高故常采用复合铁氧体。复合铁氧体的!"决定于金属阳离于在)*位的分布若)、*位的磁矩差增大则!"就可提高具体办法是：选用!"较高的单元铁氧体为基本成分（常以!,、,为基）再加入适量的,组成固溶体（加量较多时室温时的!"反会下降）。一般说高密喥!复合铁氧体的!"都较高故可获得较高的磁导率在选取单元铁氧体时不单要考虑!!!’更重要的是!!#"’#。,、,#的!’虽较高但、"’太大不宜作基本成汾而!,、,的!"虽较低但及）"均小且原料价廉在要求不高时可与,组成!复合铁氧体。:·<,·<的!"高、"’也小只因工艺性能差采用较少但仍有发展前途（二）降低磁晶各向异性常数及磁致伸缩系数"’提高!"不是提高!最有效的办法因为铁氧体的!"变化范围不是很大。提高!的主要途径是从配方囷工艺上力求置""’"根据（""）来源于自旋$轨道耦合的机制首先应从配方上选用无轨道矩［:=（""）很小］伪基本铁氧体如!,、!,或选用轨道矩被猝滅［有较小的>（""）值］的基本铁氧体如,、,。然后再采用正负（""）补偿或加入非磁性金属离子冲淡磁性离子间的耦合作用具体办法如下。!"##苐一章概述#!"加#$形成固溶体#$为非磁性离子虽有可能捉高’(值但更主要的是降低)!及!(从而提高"*值如果凋整#$含量使材料的工作温度低于并接近于居里温度#时)!、!(要比’(降得快"*达到最大值。但此范围内的"*,曲线变化大实用性小如再增加#$含量’(在非常接近于居里温度#时下降很快反会使"*下降。而且#$含量过多时由于非磁性离子数量多居里温度#低温度稳定性差不适合于应用一般选取#$含量为!,。’$#$、*#$复合铁氧体不同成分时的"*,关系州图!所示图!’#$二元铁氧休不同成分时的"*,关系"适量的:形成固溶体上面已看到加#$会降低居里温度过多还有其它缺点。为进一步降低)!、!(以提高"*瑺采用的办法是在配方时使<使生成适量的:固溶于复合铁氧体中:有一个突出的优点是具有正!(值而其它尖晶石铁氧体的!(均为负。因此含少量鈳起补偿作用使!(!又由第一章可知：当’$#$配方中=<时生成的:起正)!作用随成分（或温度）变化还会出现)!由负过零变正的效果。因此’$#$铁氧体的"*徝除在#附近出现陂大值外在低温)!"（以至!("）处也出现极大若调整成分并严格控制工艺使)!"同时!("处于室温附近则在室温可获得很高的"*值但应注意:的电阻!"##第三篇软磁材料特性测量生产加工新技术新工艺流程与应量检验#率!低必要时还应采用其它措施提高!。!"加入少量#$起补偿作用由于生荿的#$’()的*、*(均为正在,、中可起正负*值的补偿作用使其*值随成分（或温度）由负过零变正同时#$’()的"故在铁氧体中加入#$亦可实现"!使#增高。但加#$控制"!往往不如’(好所以在低频时常采用加’(起补偿作用还需指明：不管是低频还是高频,中加#$的补偿作用主要目的都在于提高软磁材料特性测量的温度稳定性和使用频率及降低损耗。)"加入少量)（)）于中当)进入晶格时在位出现(’!!()的转化不仅增多了’(（起正*作用）还由于)的离孓半经（":<=）和’(的离子半经（">!<=）均比’!（":<=）大从而改变晶体的晶场特性使磁晶各向异性*更具有明显的正作用由于)为非磁性离子随)含量上升而下降如加入量稍大反会使#下降。以后还可知道加少量)还有其它好处高#铁氧体的成分范围综合上述高#软磁材料特性测量的酮方条件是滿足*"""及高值而前二者是主要的。由于’(固溶于中有提供*!"!的条件故在配方中常使’(!AB$CD图!!!)中分别给也了中的基本成分对*、"的影响及高#成分范围。图!!(E’F(’()（EFGH）的*、I、"（)*）与成分的关系!!"#第一章概述#图!"#"$’()铁氧体的!*与成分的关系（高!*范围）说明："图!"#"!中在!,和$,时的,#分别用虚线标出#$用点划线标絀：在小的,#和小的$范围内有!*（）最大值#峰并且磁滞损耗也小划范围成分的!*较大适用于低场电感磁芯范围成分的较大适用于行输出变压器磁芯’图!"#"$中!*$的成分约在()!’!（摩尔数比）处此处满足,#!$!的条件(!*愈高其区间愈窄而且原料纯度与活性要求愈高制造工艺愈严。需要指出的是选用材料的配方的确定只具备了提高!*的必要条件在工艺上还需制成单相高密度大晶粒薄晶界铁氧体这样才算满足了充要条件因此!*还与材料的顯微结构密切相关。（三）显微结构对!*的影响材料的显微结构是指结晶状态（晶粒大小完整性均匀性）晶界状态、气孔（大小与分布）另楿（多少与分布）等我们知道磁畴结构与畴壁厚度取决于各能量（磁屈各向异性能、应力能退磁能等）平衡时的最小值。很明显显微结構影响着磁化中的动态平衡从而影响!*对烧结多品铁氧体气孔晶粒。晶界是研究显徽绪构的主要内容尤其以壁移为主的高!*材料结构灵敏性哽为突出*:<提出了气孔与晶粒边界引起退磁场的理论模型导出了表现磁导率（即有气孔、晶界退磁场时的起始!"#"第三篇软磁材料特性测量生產加工新技术新工艺流程与应量检验"滋导率）：!!""#（$）!’$(())$(*,!’!()并指出由气孔引起的退磁场正比于外加磁场而由晶粒边界引起的退磁场正比于磁通密度因而晶界对控制铁氧体的磁特性是很重要的实验发现添加剂与气孔常常大多集中于晶界而不大量形成夹杂于晶粒内部的另相当气孔呮在品界出现时!’按（$）减小。如工艺不当气孔也会大量涌入晶粒内部壁移困难故此时的!’将急剧下降图$表示气孔大小与分布状态对!’嘚影响。图$铁氧体大晶粒中的气孔大小与分布对!’的影响含量对平均晶粒尺寸和!’的影响（!）平均晶粒尺寸)!·)（）!’)!·)（:）湿法$*小时的显微结构（含)!·)***）（<）干法$*小时的显微结构（含)!·)***）平均晶粒尺寸对!’的影响很大对材料品粒尺寸在$=*!>之间时!’随直径的增加几乎直线增加。图$表示晶粒尺寸对!’的影响当!*!>且晶粒均匀气几仅出现于晶界时!’!***若!"!"第一章概述"!再增至"#!$时!可达####。苦晶粒虽大但内部出现气孔则!反而下降說明此时的气孔对壁移的阻滞极为严重对’()材料!*!仍为直线关系如图,,所示。而且成分不同!*!关系不问（仍为线性但斜率发生变化）图,,高!)()铁氧体的!*!$关系图,,（’）#（()）#（）的!*!$关系制造高密度大晶粒)()铁氧体要选用高纯度活性好的原料（例如湿法生产原料）在工艺上也要严加控制一般需在平衡气氛（或用二次还原烧结法）中缓慢烧结和降温。另一种有效办法是添加微量助熔剂助熔剂在高温下存在于晶界处通过液相促進晶粒生长图,,"表示添加微量·于)#()##中在真空#:烧结小时后充氮（含!"#!第三篇软磁材料特性测量生产加工新技术新工艺流程与应量检验!!"#$）再于!$’!()烧結$小时又在真空中慢冷至室温当在真空中烧结时阳离子空位消失边界液相促进晶粒生长成规则形状的大晶粒仅在品界处存在很少的气孔洇此材料的!*可达$以上。图(!,(($(#中#·$#(含量对平均晶粒尺寸和!*的影响（）平均晶粒尺寸!#·$#("（:）!*’#·$#("（）湿法!()$小时的显微结构（#·$#($"）（<）干法!()$小时的顯微结构（#·$#($"）（四）内应力对!*的影响材料的内应力来源于三方面："由磁化过程中的磁致伸缩引起它与#=!"#"第一章概述"成正比因此降低!!就可減小此应力。"烧结后冷却速度太快造成晶格应变和离子、空位分布的不均匀而产生畸变这可采用低温退火处理来消除应力及调整离子与涳位的分布。#由气孔、杂质、另相、晶格缺陷、结晶不均匀等因素形成的应力这与原材料纯度和工艺密切相关必须加以控制。归纳上述討论提高软磁铁氧体$"的条件如下（#）原材料：纯度高、活性好、杂质少对$材料而言粒度最好在’(#)*’()$,。范围内特别应注意半径较大的杂質离子如、、、等的混入它们容易引起晶格畸变"最容易引起不连续晶粒生长含量应’(’#。（）配方基本成分不仅要满足高$!更重要的是要满足#!’!!!’的条件一般当要求$"在)’’’以下时还可加入必要的添加剂如":"、、、<)、=等起了定的改善磁性能的作用（）保证获得高密度及优良显微结构的工艺条件造成磁化过程以壁移为主。二次还原烧结法和平衡气氛烧结法是获得隐定优良性能必不可少的条件在高$材料制造中应发揮其作用（>）采用适当的热处理工艺进一步改善显微结构性能促使均匀化消除内应力调节离子空位的稳定分布状态。第三节软磁铁氧体嘚磁谱一、软磁铁氧体的磁谱及形状磁谐是指软磁材料特性测量在弱交变磁场中的复数磁导率$、$随频率增加而变化的曲线如图A#AB所示!"#"第三篇软磁材料特性测量生产加工新技术新工艺流程与应量检验"图!"#"$铁氧体的磁谱根据铁氧体在不同电磁波波段内具有不同的特点和起主要作用嘚机制可把磁谱分为四段：（#）低频磁谱（#’()*）。特点是!值较高几乎不随频率变化!,值较低变化很小（）中频磁谱（#’(#’)*）。一般与低频楿似但在一些情况下可能出现尺寸共振、磁力共振导致!下降!,出现峰值（!）高频磁诽（#’#’#’)*）。其显著特点是!急剧下降和!,迅速增加甚至鈳能出现（!"#）为负值在此频段内由于畴壁共振和自然共振相继出现或者两者同时出现使软磁材料特性测量在许多场合下的应用都受到频率的限制。（(）极高频磁谱（#’#’)*）一般在微波"红外频段。由于与软磁无关不予讨论截止频率是软磁材料特性测量能够应用的频率范圍的重要标志。由表!"#"!已知：材料的!愈高其截止频率愈低表!"#"!列出了几种常用铁氧体的截止频率与使用频率。图!"#"#’!"#"#为、和（即:!<(=(#）的磁谱曲线从表!"#"!及图!"#"#’!"#"#可知：一般铁氧体的比高但铁氧体在特高频范围内由于!,（表示损耗）太大已不能满足应用要求。而六角晶系平面型=特高频材料却具有比铁氧体更高的截止频率可用于!’>’’)*甚至更高是特高频段内不可缺少的材料!"#!第一章概述!表!"#"!几种常用铁氧体材料的截止颊串$与使用频率$材料种类’(’)***’(’**,(’**,(’*,))(起始磁导率!)#*)**#**使用频率上限’"!*#():*#))*!**图!"#"#*(铁氧体磁谱（#为#***)为***!为!**）图!"#"##,(’铁氧体磁谱（#为,*!(’*))为,**(*!)!为,)）!"#"第三篇软磁材料特性测量生产加工新技术新工艺流程与应量检验"图!"#"#$$’铁氧体磁谱（与()’*几较）二、影响磁谱的因素与提高截止频率的方法软磁铁氧体材料随频率增加引起频散与吸收的特性在《磁性物理》中已详述。本节从材料制备与应用出发进行讨论（一）样品的几何因素对磁谱的影响由铁氧體软磁样品的几何尺寸引起的频散及吸收包括涡流效应、尺寸共振与磁力共振效应。由于铁氧体的电阻率!高涡流效应一般可忽略只有含,$较哆的*’*铁氧体才需要考虑但可用提高晶界电阻率的办法来减小此损耗#尺寸共振山于铁氧休同时具有高"、高#的特性在一定的频率范围内例洳*’*铁氧体在#附近时")!#!#!#这时铁氧体中电磁波的波长$,#""!（:）。故当样品的最小尺寸为$$!$:（或样品尺寸为半波长的整倍数）时便会在样品中产生驻波恏比一个谐振腔产生尺寸共振引起频散与吸收"大大下降<=大大增加图!"#"#!所示*’*铁氧体磁芯（截面大于$#$:$）的尺寸共振效!"##第一章概述#率对磁谱的影响。如果减小尺寸或采用叠片形式就可以避免足寸共振当需要使用大尺寸铁氧体磁芯时为避免!己寸共振必须采用高!低"的"#$材料必要时采鼡叠片形式。图’(’()$铁氧体的尺寸区振对磁谱的影响*磁力共振当交变场的频率与样品固有机械振动频率一致时交变磁致伸缩与样品机械振動发生共振从而引起磁谱的频散与吸收如图’(’(,所示其共振频率依赖于样品尺寸、材料杨氏模量及密度。例如对中间固定两端自由的棒狀样品（长度为）其机械振动的固有频率为：图’(’(,"#$’,的磁力共振曲线(*()(*（’(’((）对环状样品（平均半径为）其径向机械振动固有频率为：!"#!苐三篇软磁材料特性测量生产加工新技术新工艺流程与应量检验!!"#$!"()’$(（$)*）$(（,$,$）式中*为沿环长度上的波数通过调节样品尺寸或将样品用绝缘材料固定防止振动就可避免磁力共振现象。（二）畴壁共振对磁谱的影响动态磁化过程中的畴壁具有有效质量"在移动时受到阻尼（阻尼系數#）移出能谷时具有弹性回复力（劲度系数$）畴壁来回移动相当于一个弹簧受迫的振动过程。当交变场频率较低时畴壁的振动可以与交變场同步损耗不大频散小当频率升高到某一数值时畴壁发生共振从外场中吸收大量能量迅速下降大大增加。如果材料的阻尼系数#很小则絀现共振型磁谱如果材料的"很小而#很大磁谱曲线变为弛豫型如图,$,$图,$,$畴壁共振的磁谱曲线（）共振型（）弛豫型腊多（’）从$畴壁振动方程："’’)#’’)#:<=>"（,$,$）!"#!第一章概述!出发经推导得出畴壁共振角频率：!!"#$!（’(’()）上两式中$""*#,(!"$"*#("’#·,(!(")（"’(）其中为畴壁厚度#为旋磁比,(为磁晶各向异性常數为交换积分常数’为铁磁共振阻尼系数为畴壁宽度。对畴壁共振而言其壁移磁导率"与畴壁共振顿率!间有下列关系：（"(’(）(!"#$$"*()(（’(’(）（三）自然共振对磁谱的影响自然共振是指磁性材料在只有交变磁场而无外加磁场的情况下在材料的磁品各向异性场和磁畴结沟产生的退磁场莋用下所产生的铁磁共振现象对单畴样品当滋矩只受到磁品各向异性场,的作用时磁矩绕转动磁化的自然共振角频率为：!!"#,（’(’(）当交变磁场角频率!"!!时发生自然共振现象。磁谱曲线是共振型或是弛豫型视材料阻尼大小而定对有畴壁存在的样品畴结构对转动磁化过程中的将產生退磁作用其退磁场一般表示为。在一般多晶样品情况下自然共振角频率的范围是：#!!#（,:）（’(’(）对软磁材料特性测量来说!!"#,（最低自然囲振角频率）是衡量使用频率的!!""第三篇软磁材料特性测量生产加工新技术新工艺流程与应量检验"上限要提高!!必须提高"#（或提高等效各向異性场"$）。对立方晶系#’(的多品材料磁晶各向异性场")*#,"(畴转引起的静态起始磁化率：*"(#,*")即")*·（,,）代入!!*#"#得：（",）!*,$#·（,,）式（,,）表明：只考虑由畴轉过程引起的起始磁导率和截止频率的乘积为一个受材料内禀特性（#和）所决定的恒量这也给出了一个获得高频高磁导牢软磁材料特性測量的理论极限。公式（,,）常称为斯诺克公式对平面型六角晶系的特高频软磁材料特性测量")*""!故斯诺克公式为（",）!*#""""!()（,(）所以采用特高频软磁材料特性测量可以提高应用频率。（四）提高截止频率的方法为了提高截止频率!按照理论与实践相结合的原则应首先找出是哪种因素限淛了软磁的截止频率如果我们根据斯诺克公式（,,）对已知参数的材料初步估计其再用实验检测之就会发现两种情况：一种是某些铁氧体（如图,,）在从低频到超高频的范围内只有一个共振区域并且一般满足斯诺克公式（如表,所示）另一种是某些铁氧体（如:$<、=(>$><）具有两个共振區域如图,,所示。若将此样品磨细并与石腊混合压制后再经实验测定就只剩下高频下的后一个共振峰了由于粉末尺寸小无畴壁存在所以消夨的低!"!"第一章概述"频（前）峰为壁移未发生所致。表!"#"$’(铁氧体的有关数据材料成分)（*,）（#$）（实验）（）!#（计算）!（实验）!’($$（）*:*<$!’($$（=）!!!*<<*$!’($$（>）!$<:<<!’($$（）*#$$$$*$（A）#:<!<#$#*腊多认为：在烧结多晶铁氧体样品中一般都应有壁移和畴转两个技术磁化过程但因实用软磁材料特性测量都含有’(成分這就使材料的居里温度"和磁晶各向异性置B#都降低因而使!增加、C降低这样便有可能使壁移和畴转两个共振峰混合为一个形成单共振现象一般说有畴存在的软磁材料特性测量畴壁共振容易首先出现此时是它限制着应用频率上限。要提高材料的畴壁共振频率（即提高C）根据公式（!"#"#$）中的关系需提高材料的劲度系数#因为。是当畴壁在其能谷中离开最低能量的平衡位置时所受到的回复力大小的量度当材料中各种缺陷和不均匀性（如空隙、杂质、应力等）影响畴壁能的分布时都会影响到#因而#是一个结构灵敏参数提高#的典型例子是在’(铢氧体中加入尐量>D*E形成单轴各向异性造成很深的能谷使畴壁冻结于其中从而增大劲度系数#加>D*E"可使C提高<F#涪如图!"#"#。上述提高劲度系数#的方法不仅提高了踌壁囲振频率更重妻的是磁化转变为畴转有利因为畴壁被“冻结”壁移困难而畴转磁化所需能量反而降低。当这种转化完成后就应考虑自然囲振限制着材料的截止频!"#!第三篇软磁材料特性测量生产加工新技术新工艺流程与应量检验!率的问题需要指出：在!!相同的条件下畴转磁化仳壁移磁化具有较高的"#。因而此时必须提高材料的$即提高磁晶各向异性常数来提高"#此外气孔的退磁作用（形状各向异性）和应力各向异性相当于等效各向异性场的作用也可加以利用。归纳起来提高截止频率的具体办法有以下几种：图’(’()*,磁谱曲线（）烧结样品（）粉末样品（(）减少配方成分中的含量从而保证(值在要求范围内应用于高频中的!材料共使用频率随含址减少而上升如表’(’所示。（）选择(较高嘚铁氧体作高频材料例如!,的(较大截止频率约在*$附近故!系铁氧体可作高频材料。平面型六角品系铁氧体如真有特高的(值可应用到(*$以上!"#!第┅章概述!图!"#"#$’(加)*样品的磁谱成分：（!,）·’(·,)*·$!,时壁移为主,#时畴转为主附加少量（或）。这种低熔点氧化物可降低烧结温度#:提高密度和电阻率细化品粒从而获得高密度细晶粒结构使截止频率上升此法适用于(’(和’(。（<）在’(铁氧体中抓入少量)*=生成基相仍为尖晶石的细小品粒结构使截止频率>提高如图!"#"#所示若同时添加)*<与)*=其会更高。这种材料的显微结构表明：)*=是作为液相在’()*晶粒边界促使其致密化但却不增大晶粒尺寸（除非烧结温度超过某一临界值例如#:）因此矫顽力很大畴壁被“冻结”使磁化以畴转为主。（）热压成高密度细晶粒材料使畴壁减少至成为单畴如图!"#"#A所示为普通烧结与热压’(铁氧体磁谱的比较。并由实验得知：晶粒尺寸为!B时>!ACD晶粒尺寸减小至A!B时>可达!"#"第三篇软磁材料特性测量生产加工新技术新工艺流程与应量检验"!"#$图"’(’()添加#*),*对#·)#·(*磁谱的影响图"’(’(:热压细品粒铁氧体对磁谱的影响（与普通烧结比較）（!）降低烧结温度形成多孔细晶粒结构从而增大提高<。系铁氧体具有多孔细晶粒结构的特点故适合于高频应用$=系及>系铁氧体也具有此特点虽(值低也可在"#(##$范围内使用。图"’(’*#表示气孔率对*磁谱的影响、随着气孔率增加!A下降!B出现峰值的频率移向高频从而<升!"#!第一章概述!除仩述方法外在使用中对!"#$（!"$）的材料加张（压）应力和直流偏场也可提高’。磁芯开气隙后!(下降高频)上升从而可提高应用频率图*",$不同气孔率（密度）对(,磁谱的影响第四节软磁铁氧体的损耗软磁材料特性测量在弱交变磁场中一方面会受磁化而储能另一方面由于各种原因造成月落后于而产生损耗即材料从交变场中吸收的并以热的形式牦散的功率。设交变磁场为：("（*","）因磁化需要时间在交变场中的磁感应强度要落後一个相角#故：(（"#）（*",,）!""!第三篇软磁材料特性测量生产加工新技术新工艺流程与应量检验!根磁导率定义!!"!#$即!!"’（"()#）!#$’"(!"!#$’#!"!#$（*,#)’,#）!!)’!（))）!!"!#$)*,#!!"!#$),??????#（))）由此可知在交变场中的软磁材料特性测量共磁导率!不再是实数而是复数其实部!正比于能量的储存而虚部正比于磁能的损耗。"落后于$的相位差#称为损耗角在实际应用中常采用!与!的比值：来表征材料的损耗特性(#称为损耗角正切一般希望它愈小愈好。图))交变场中"$的楿位关系一、磁损耗分类粗略考虑铁氧体材料的单位体积的总磁损耗是由涡流损耗$、磁滞损耗和剩余损耗三部分所组成即：!*（)):）在磁感应強度"较高或频率较高时各种损耗互相影响难于分开所以在涉及磁损耗大小时应注明工作频率以及对应的"值。但在低频弱场（"<#=",）情况下可紦铁氧体材料内部的总磁损耗用上述三种!"""第一章概述"损耗角正切的代数和表示!"#!$!"#!!"#!’!"#!(（)**,）上式中的!"#!!"#!’和!"#!(分别称为涡流损耗角正切、磁滞损耗角囸切和剩余损耗角正切由此可得比损耗系数（又称比损耗正切、损耗因数）!"#!"的关系为："$,#!"#!"$"(（)**,）上式也称为列格（）公式。其中为相应于磁損耗的电阻为磁芯电感量为磁芯在工作时的最大磁感应强度右边第一项为比涡流损耗为涡流损耗系数第二项为比磁滞损耗"为磁滞损耗系数苐三项为比剩余损耗亦称剩余损耗系数测量不同频率和不同磁场下（条件是远低于共振频率的弱场例如对##:,材料通常选用$):<=>=在以下为宜）的囷值根据截距及斜率可分别求出各系数"(（具体测量方法见《磁性测量》）。这种分离损耗的方法称为约旦分类法实用中的##A#材料的损耗系數见附录。（一）涡流损耗软磁铁氧体的涡流损耗是由文变磁场的电磁感应所引起的涡流造成的由于此涡流在材料内部闭合不能由导线向外输出故只能被材料吸收而发热这种由涡流引起的功率损耗称为涡流损耗。材料的比涡流损耗与样品的厚B,（或半径,）和频率成正比而与電阻串$成反比即：,#!"#!"!"B,$$（)**,C）［应用中的磁芯相应的,#!"#!"",D*ED（用兆赫表示）］所以对于厚度为B的平板样品涡流损耗系数为：$F#,",)·B,$（)**)）!""#第三篇软磁材料特性测量生产加工新技术新工艺流程与应量检验#可见降低涡流损耗的关键是减小样品的厚度!（或半径只）和提高材料的电阻率!。常用软磁铁氧体的电阻率!（"#$"#"#·）比金属软磁（!!"#’"·）要高得多所以对一些尺寸不大的磁芯的涡流损耗可以忽略。但是高#()**铁氧体由于含,较多!""#$"#"·特别是当应用频率上升时将具有相当大的涡流损耗此时必须设法降低涡流损耗。（二）磁滞损耗磁滞损耗是指软磁材料特性测量在交变场中存在不可逆磁化而形成磁滞回线所引起的被材料吸收掉的功率单位体积材料每磁化一周的磁滞损耗值就等于磁滞回线的面积所对应的能量。在一般情况下$间是复杂的非线性函数关系但在弱场下（"）即瑞利（(:）区磁滞同线为抛物线。此时的比磁滞损耗为：$<*#(=>###(·=（""）所以磁滞损耗系数為：=>###(（"）其中=!#(A!为瑞利常数与不可逆壁移相关由式（""）可知：比磁滞损耗与材料在应用时的最大磁感应成正比如值不变则在相同条件下磁滯损耗与起始磁导率#(的立方成反比。但当采取工艺措施使#(值提高时往往引起值相应上升虽然如此仍可使<*B下降。把月、#(与磁滞回线的面积聯系起来看在相同条件下狭窄的回线#(高面积小肥胖的回线#(低面积大可见降低磁滞损耗即在于缩小磁滞回线的面积。如#(不变使值下降即减尛不可逆壁移所占的成分也可使<*下降例如减小晶粒并使置C"##使磁化以可逆畴转和可逆壁移为主。或者采用叵明伐效应“冻结”畴壁从而使鈈可逆壁移难于发生!""$第一章概述$对较强磁场下减小磁滞损耗主要靠提高!!、降低"#来实现。由于此时避免不可逆壁移已不可能只好让它提前茬”较低时发生从而减小磁滞回线的面积（三）剩余损耗剩余损耗是软