劉亞丕

（1.中國計量學院材料科學與工程學院，杭州 310018；2.浙江集祥實業(yè)有限公司，浙江 武義 321200）

1 引言

軟磁鐵氧體材料是一種用途十分廣泛的基礎功能材料，由于其綜合具有優(yōu)異軟磁性能、高電阻率和低廉的價格等特點，除薄膜材料外，在交流領域，特別是高頻領域基本上都使用軟磁鐵氧體材料，從而使其成為全世界使用量最大的軟磁材料之一，也是近年來市場使用量增長最快的軟磁材料之一。廣泛使用的軟磁鐵氧體材料主要分為 MnZn、NiZn和MgZn等三大類，因其性能不同，分別適合在不同的頻率范圍內(nèi)使用。

隨著使用領域的不斷擴大，特別是在通訊領域應用的不斷拓展，在對軟磁鐵氧體材料的性能提出更高要求的同時，也伴隨產(chǎn)生了許多新的問題。如在通訊領域，其使用條件十分復雜，如何準確表征這些材料在使用條件下的性能就成為整機廠家一個很現(xiàn)實也很重要的問題。對于元件廠家，如何能模擬器件在整機中的使用條件來測量出器件的真實性能也就成為一個十分重要的問題。軟磁鐵氧體材料及磁心性能參數(shù)不但是本身質(zhì)量高低的標志，也是各種形狀電源變壓器、電感器等器件設計的依據(jù)。因此，準確地表征和測量軟磁鐵氧體材料及磁心性能參數(shù)就顯得尤為重要。本文主要對在測試過程和生產(chǎn)過程中常遇到的一些問題及對影響這些測量的因素進行一些分析和討論，以供元件生產(chǎn)單位和整機單位參考。

2 問題的提出

磁性測量與長度、電性測量或機械性能測量等其他物理性能測量有著很大不同的原因在于[1]：①磁化方式（如繞線等）引起的磁化均勻性問題；②樣品的加入會改變所加外磁場的分布；③樣品內(nèi)部有退磁場；④由于磁滯，自動測試或交流磁化時如果測量速度快會在磁場和磁感應之間產(chǎn)生相角；⑤如果磁場變化太快，還會在樣品中引起渦流，從而使磁場無法進入樣品內(nèi)部磁化樣品；渦流還會引起附加場，從而削弱磁化場的作用，而在交流測試條件下渦流的存在是不可避免的等等。所有這些因素都會使得所施加的測量場和樣品中真實感受到的場之間存在差異，影響測量結果的準確性。

這些因素在軟磁鐵氧體的測試中表現(xiàn)得尤為突出，這一方面是由于軟磁鐵氧體材料種類很多，使用頻率范圍很寬，使用條件復雜；另一方面器件的種類很多，大小、形狀各異；同時為了滿足近年來對防電磁泄漏及減小器件體積等的需要，器件形狀也非常復雜，使用頻率越來越高，這些都給性能的測試帶來很大的問題。隨著消費類電子設備和現(xiàn)代通訊技術的發(fā)展，不同材料和不同形狀的鐵氧體器件大量涌現(xiàn)，僅如何對復雜器件的磁路進行正確計算和分析等問題，就已經(jīng)成為元件生產(chǎn)和整機使用單位一項急待解決的課題，更不用說其性能的表征、測試等方面的問題。加之，國際貿(mào)易對產(chǎn)品的認證更為重視，凡經(jīng)過認證的產(chǎn)品信譽好、銷量大、價格高，而未經(jīng)認證的產(chǎn)品，即使產(chǎn)品質(zhì)量好，有時也因得不到購買者的信任或許可而失去市場，就使得這項任務更加迫切和重要。在這方面雖然也有相應的國際和國家標準可供參考，但一方面標準的出現(xiàn)總是落后于應用，新出現(xiàn)的市場附加值高的器件一般在標準中都還沒有出現(xiàn)，二是標準在使用中也有許多實際問題影響其可操作性，所以對這些在性能測試和生產(chǎn)中常見的問題有一些理解和認識，無論對元件生產(chǎn)還是整機生產(chǎn)單位都是十分必要的，特別是在與用戶溝通時或產(chǎn)生質(zhì)量認同方面的問題時，就顯得尤為重要。

3 材料性能與器件性能及其關系

一般說來，磁性材料有兩種性能指標體系，即材料性能和器件性能，在這兩種性能指標體系之間有很明顯的區(qū)別。這種問題雖然在永磁材料中也存在[1]，但在軟磁材料中表現(xiàn)得尤為突出，特別是對軟磁鐵氧體材料，這突出反映在軟磁鐵氧體各個生產(chǎn)廠家如TDK、EPCOS、FERROXCUBE等的產(chǎn)品樣本中。這些廠家一般都會在其產(chǎn)品樣本的前部分列出材料的性能特性，而對各種材料制成的器件，又都詳細列出了不同測試條件下器件的實際性能。同時為了更加全面地反映出材料及器件的特性，又都會以圖、表的形式列出其材料性能特性（曲線）和器件性能特性（曲線）及數(shù)據(jù)供用戶參考，就可以充分說明這一點。

造成這種現(xiàn)象的原因是永磁材料的測試條件比較簡單，測試標準也比較單一，一般都是在直流條件下依據(jù)GB/T 3217（等效采用IC 60404-5）來進行測試[2]；而軟磁材料的性能有的是在直流條件下測試，有的是在交流條件下測試，且標準體系繁雜，測試條件各異，非專業(yè)測試人員很不容易搞清楚。企業(yè)一般都會嚴格按照標準進行測試，但國內(nèi)的一些科研機構，特別是大學并未對此引起足夠的重視。由于不知道標準樣品的尺寸及測試條件，他們的研究成果大多與生產(chǎn)實際嚴重脫節(jié)，無法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，這對急需科技支撐的生產(chǎn)單位和需要進行科技成果轉(zhuǎn)化的研究機構雙方無疑都是一種損失。

（1）材料性能

一般說來，材料性能是指物質(zhì)的磁性能，這種性能被認為與材料的形狀無關系，而只與材料本身的本征特性有關系。為了保證不同測試儀器測量結果的準確性和一致性，也為了方便國內(nèi)外廠家（包括生產(chǎn)單位和使用單位）進行性能比較，測量一般都是采用嚴格規(guī)定尺寸的標準樣品在規(guī)定的標準測試條件下在認定的檢測儀器上用標準規(guī)定的方法進行。國際和國內(nèi)標準化組織及各個行業(yè)協(xié)會對材料性能的測試方法、測試條件、測試儀器及測試各種性能時各種材料的標準樣品都有極其嚴格的規(guī)定，只有這樣測量出的性能才被認為是材料的真實性能，不同材料的性能數(shù)據(jù)之間或者不同廠家生產(chǎn)的同一材料的性能數(shù)據(jù)之間才能進行真正地比較。如對軟磁金屬材料，一般用棒狀樣品和環(huán)形樣品來測量其磁特性[3-4]；對非晶、納米晶材料，用卷繞環(huán)形樣品[5]。對軟磁鐵氧體材料，標準樣品一般為環(huán)形，以避免退磁場、均勻磁化及形狀等因素的影響。對于標準樣環(huán)的尺寸，不同國家的標準對不同材料都有不同的規(guī)定，對功率鐵氧體標準樣環(huán)和高導的標準樣環(huán)，有時尺寸也是不同的，不同測試頻率下標準樣環(huán)的尺寸也不一樣；這時的測試一定要嚴格按照材料標準來進行。還要注意的是，同樣對于標準樣環(huán)，不同的標準規(guī)定的測試條件也不盡相同。如對于軟磁鐵氧體材料的Bs、Br、Hc等性能，TDK的測試條件一般為 1194A/m，而 EPCOS和FERROXCUBE則為 1200A/m，有時是 250A/m或3000A/m。除此而外，還須注意測試時的頻率、溫度等其他測試條件的差異。

（2）器件性能

器件性能是指物體的性能，這種性能當然就與由材料制成的物體的形狀密切相關。由同一種材料做成的器件，形狀不一樣、大小不同，在制備工藝完全相同的情況下，其性能可能就會不一樣。忽略如材料微結構之間的差異等其他因素，僅從測試的角度出發(fā)，即使對于圓環(huán)試樣，相同材料制成的不同內(nèi)、外徑樣品測出的性能也是不相同的，所以只有內(nèi)外徑符合一定要求的圓環(huán)才能作為標準樣環(huán)。如果以產(chǎn)品為樣品進行測試，如用EI或EE樣品直接測試，測量出的就是器件的磁性能。材料性能一般是在閉路條件下測得的，而器件性能可能是在閉路或不嚴格的閉路條件下甚至開路條件下測得的。

（3）材料性能與器件性能之間的關系

造成測量出的材料性能和器件性能之間差異這種現(xiàn)象的因素是多方面的，軟磁材料由于其 Bs比永磁材料高得多，在測試過程中退磁場的影響很大，所以一般都要求閉路測試，但有時器件的結構決定了樣品不可能是嚴格的閉路。對軟磁鐵氧體材料，由于受材料性能的影響，為了實際需要，可能還要對器件開氣隙，這會在材料性能和器件性能之間造成很大的差異，也使得把器件性能還原為材料性能的工作更加困難，給材料的評審帶來諸多問題。均勻磁化問題也一直是軟磁材料測試中，特別是高頻性能測試中的一個主要問題。如果磁化不均勻，測量的重復性就得不到保證。但如果排除測試以外的其他因素，從根本上說這兩種數(shù)據(jù)所反映的特性應該是一致的，都從某種程度上反映了材料的本征特性。但我們對材料的判斷卻只能以所測量出的性能數(shù)據(jù)為依據(jù)，這就有必要在二者之間建立一種關聯(lián)，或者聯(lián)系。

由于永磁器件的形狀一般比較簡單，所以其材料性能和器件性能之間的關系比較密切，也比較明顯。如對于永磁材料，同樣是條形或棒狀樣品，如果長徑比（L/D）不同，測量出來的性能可能就會不同，所以在國家標準 GB/T 3217（等效采用 IC 60404-5）中就嚴格規(guī)定了樣品的長度[2]，以盡量避免由形狀帶來的影響，從而能測出材料的真實性能。對永磁磁瓦，更是如此。用同一種料粉，同一種燒結工藝，器件形狀也差不多，如果所用的模具、成型磁場等不同，其性能就會差別很大，這也是磁瓦難于開發(fā)的一個主要原因；這種問題在軟磁材料也同樣存在。對軟磁材料，特別是軟磁鐵氧體，由于材料性能和器件性能之間的關聯(lián)性比較差，有時單從器件性能可能根本無從知道用的是哪一種材料，這種聯(lián)系有時可能更多地是從材料配方及微結構等方面而言的。

以前我們對材料的理解，主要是基于材料性能表格中的一些主要指標來進行的，但是隨著認識的深入會發(fā)現(xiàn)，對于材料更為重要的可能是對一些性能特性曲線的理解和認識，如對于軟磁鐵氧體材料的功耗隨頻率變化曲線（PCV-f）、功耗隨溫度變化曲線（PCV-T）、磁導率隨溫度（μ～T）及頻率（μ～f）變化的曲線等。因為在器件設計中，一種器件不可能工作在整個頻段，而只是工作在眾多曲線簇中一條曲線上的某一段上，正如永磁材料一樣，一般都是工作在工作點附近，也就是最大磁能積點附近。但對于軟磁材料情況可能會更復雜，因軟磁材料性能曲線眾多，不像永磁材料那樣只有一個退磁曲線，所以有時很難找到一個最佳的點或段。這時如果設計人員對材料的性能曲線沒有一個很好的認識，就很可能選擇一個對特定材料不是很適合的頻段或工作點，使得很好的材料性能不能充分得到發(fā)揮。有時材料雖然合格了，但器件送樣時總是會出現(xiàn)各種問題，這時就需要與客戶進行溝通，以理解他們真正的目的，幫助他們選擇一個合適的材料，并在材料曲線上選擇一個正確的工作點。在技術營銷中這是必不可少的一個重要環(huán)節(jié)，也是是否能贏得客戶的一個關鍵因素。

如果客戶根據(jù)材料特性設計一種器件，這種性能就會轉(zhuǎn)換為器件的性能。由于器件的特殊結構，就使得這種轉(zhuǎn)換之間必然是不完全的，在這兩種性能之間會存在一些差異，需要設計人員進行取舍和平衡。這時應該注意到，無論從生產(chǎn)還是測試的角度來看，這種差異的存在都是不可避免的。在生產(chǎn)實際中，我們也發(fā)現(xiàn)過這種現(xiàn)象，有的材料直流迭加性能很好，但如果做成器件，迭加可能就達不到技術要求；有的材料磁導率高、功耗低，但器件的電感量卻達不到要求，器件的功耗也偏高。這些都是由材料性能和器件性能二者之間的差異造成的。下面就測試這兩種性能時常出現(xiàn)的問題做一些具體分析。

4 測試中應注意的問題

測試時一般要依照兩個標準：一個是材料標準，規(guī)定了材料的種類、主要性能、檢驗方法及需測試的項目等等；一個是測試標準，規(guī)定了各種物理量的定義、測試原理、測試的條件、樣品的大小及取樣方式、測試各種指標時應遵循的原則及對所用儀器的要求、誤差來源及分析等等。在對軟磁鐵氧體材料的測試中，一個突出的問題是，這兩類標準的國家及行業(yè)標準都非常少，高頻測試方法基本上沒有國家標準可依；即使有我國自己的材料標準或測試標準，也不與國際標準或其他國家的標準接軌，且這些國標的修訂速度很慢，在很多企業(yè)都是外向型企業(yè)的前提下，其可操作性很差，所以大多數(shù)企業(yè)都參照國外的行業(yè)或企業(yè)標準執(zhí)行。如在測試MnZn鐵氧體時國內(nèi)企業(yè)基本都以TDK、Siemens（原 Epcos）或 Philips（原 Ferroxcube）的材料及測試標準為依據(jù)。

（1）標準樣品尺寸的確定

在測量軟磁材料的性能時，在材料標準或測試方法標準中，一般都會規(guī)定相應的標準樣品，對同一種材料，有時還會在測試不同的磁學量，或者在直流測試和交流測試，甚至高、低頻測試時都會規(guī)定不同的標準樣品，這一點尤其要引起注意。如在GB/T 13012-2008（等效采用 IEC 60404-4∶2000）[3]中，就規(guī)定了兩種在閉合磁路中測量軟磁材料直流磁性能的方法：環(huán)樣法和磁導計法，并對標準樣品的尺寸進行了規(guī)定。對環(huán)形試樣，為了減小磁場強度徑向變化對測量帶來的影響，舊的標準都會推薦標準樣環(huán)的尺寸，而現(xiàn)行新標準則多改為規(guī)定外徑和內(nèi)徑的比。表中也列出了其他幾個標準的規(guī)定。

國內(nèi)現(xiàn)行的軟磁材料交流測試方法標準 GB/T 3658-2008的適用頻率范圍很窄，并明確指明該標準不包括電工鋼和軟磁鐵氧體。對電工鋼國際國內(nèi)都有專門的標準規(guī)定，但對軟磁鐵氧體材料，由于使用的頻率范圍很寬，測試時所需的勵磁磁場的強、弱不同等，情況非常復雜。國內(nèi)一般都依據(jù)GB/T 9631.1-2002來測量（等同采用 IEC 60367-1-1982）[7]，但該標準對測試頻率及試樣都未做出詳細規(guī)定，并且自2000年開始IEC 60367-1標準已經(jīng)被IEC 62044-3取代[8]。IEC 62044系列標準已經(jīng)通過了3個[8]，其中有兩個是關于測試方法的，但還沒有相應的國家標準推出。在IEC62044-3中論述了磁心等效電路磁參數(shù)和材料性能是不一樣的。表1中所列的標準都詳細規(guī)定了適用的頻率范圍，日本電子材料工業(yè)協(xié)會標準EMAS對功率鐵氧體材料的測試甚至指定了標準樣品尺寸。在國外的產(chǎn)品樣本上，有時也會說明測量所用的樣品尺寸?？梢姡@種問題在國際上也是一個共性問題。在這種情況下，只有加強與用戶的溝通來共同協(xié)商測試所應依據(jù)的標準樣品規(guī)格及測試條件。

（2）磁性零件有效參數(shù)的確定

在測量軟磁材料的磁性能時，一般都要求知道樣品的有效磁路長度Le、有效截面積Ae和有效磁心體積 Ve等有效參數(shù)的值，以便據(jù)此計算出測量的值。磁性零件有效參數(shù)是計量磁性元件各項性能指標的基礎，也是制訂產(chǎn)品技術條件的依據(jù)。在這方面有相應的標準可供參考，如IEC 60205[9]，但正如前面提到的，也應注意標準的適用性[10]，因為研究發(fā)現(xiàn)，在計算復雜器件的參數(shù)時標準中也可能會存在一些疏漏。

標準樣品由于其尺寸可以嚴格測量，在標準中一般也都會給出相應有效參數(shù)的計算公式，可以通過計算得到，在測量軟件中一般也都可以自動計算。但對于磁心，情況就比較復雜。由于軟磁鐵氧體器件的形狀非常復雜，為繞線方便，一般都設計有導角，有時表面還有涂敷，所以有時即使對簡單的環(huán)形器件的幾何尺寸都難以準確測量。對復雜器件，即使能準確測量其幾何尺寸，對于專業(yè)人員來說磁路計算也很復雜。這時一般的做法是通過標準規(guī)定的方法進行計算（有專用程序）[9]，也可以借助產(chǎn)品樣本。但要注意的是，產(chǎn)品樣本中列出的Le、Ae、Ve是對標準尺寸而言，一般不考慮尺寸公差的影響。工廠有大量樣品需要測試，不大可能對每一器件都嚴格測試其尺寸，特別是對形狀復雜的器件，由于其幾何尺寸很難準確測量，一般都選取標準尺寸的值來計算，而忽略樣品間的尺寸差異，由此引起的測量誤差是很難估計的，尤其在對尺寸誤差與性能之間的關系國內(nèi)外都缺乏系統(tǒng)研究的情況下。還要注意的是，對于功耗的值，有體積功耗kw/m3和質(zhì)量功耗w/kg兩種，二者之間的換算是通過材料的真實密度，而不是理論密度來進行的。

表1 標準對標準樣品的尺寸、測試條件等的規(guī)定

（3）測試條件的確定

對于材料性能的測量，其測試條件都有據(jù)可依，但要測量材料的特性曲線，可能就需要一些技巧和經(jīng)驗，以選擇一些點作為作圖的依據(jù)；因為曲線的變化比較快，對直流迭加、磁譜和居里溫度等的測量尤其如此。器件性能的測試條件變化也比較多，用戶一般都會提供專用的測試線圈，并說明其測試條件。因為測試線圈的關系，這時的測量誤差基本上是無法估計的。如果客戶無法提供專用測試線圈，一般就很難保證能按照客戶的條件進行測量。這里還要注意的就是，對于比較大的磁心和磁導率較低的磁心，測試儀器應具有足夠的功率和靈敏度，否則可能會因無法保證B波形正弦而使誤差變得很大，甚至無法測量出所要求的如功耗和直流迭加等量。從表1可以看出，不同標準有不同的頻率適用范圍，有的標準只適用于特定的材料。這里要說明的是，GB/T 3658-2008（修改采用 IEC 60404-6-2003）標準規(guī)定了材料在 20Hz～20kHz頻率范圍的交流磁性能測量方法，受國內(nèi)測試設備的限制，在該標準中把IEC 60404-6-2003中的頻率上限200kHz改為了20kHz。

（4）磁化的均勻性問題

測試時一般都把測試線圈繞在內(nèi)層作為次級，而把磁化線圈繞在外層作為初級；有的測試方法規(guī)定只繞一組線圈來測試。對于環(huán)形樣品，如果內(nèi)、外徑的差別比較大，則磁化的均勻性就得不到保證。對于復雜形狀的磁心，如EI、EE、RM等，其磁化的均勻性根本得不到保證，特別是在用由用戶提供的平面線圈進行測試的條件下。

高頻測試時，如果繞線匝數(shù)太多，樣品初級的自感會很大，特別是對磁導率高的樣品，這時要求測試電源要有很高的功率及輸入阻抗，否則測試功率就根本加不上去；但如果通過降低繞線匝數(shù)來降低器件的自感，從而加大磁化功率，磁化的均勻性就得不到保證，特別對大尺寸的器件。這時測試的重復性也就有問題，同時會使測試誤差增大，這就對制造器件的均勻性和一致性提出了很高的要求。

繞線匝數(shù)的多少還會影響到交流測試中的相位角，從而引入誤差。日本電子工業(yè)協(xié)會《EMAS－5003（1998）－功率鐵氧體磁心的測試方法》中對不同測試條件下的繞線匝數(shù)作出了規(guī)定，如表2。

表2 EMAS對繞線匝數(shù)的規(guī)定

從表中可以看出，即使對于較大的環(huán)，磁化線圈也只繞 3～5匝。這時，一方面磁化的均勻性很難得到保證，另一方面測試的磁場強度也很難提高。盡管從表1可以看到，該標準對不同頻段規(guī)定了兩種標準樣品，但在高頻測試時這仍是一個很大的矛盾。

（5）樣品形狀的影響

材料測試用的標準樣品一般都是閉路的，并且沒有導角，但磁心大多是開路的，在組合成閉路時，除了要保證接觸面的光潔度外，一般還要在接觸面之間加上一定大小的壓力。有時還需對接觸面進行鏡面拋光，性能才能達到要求，因為這些器件的性能與接觸面的光潔度有關，特別是電感和直流迭加值等。

如對EI等樣品，由于是由E片和I片搭接形成閉合磁路，兩個接觸面之間的光潔度不同，接觸面之間的接合力不同，產(chǎn)生的磁阻會不同；接合力太小，會產(chǎn)生氣隙，接觸力太大，又會造成應力，這些都會影響測量的準確性。在實際測試中，用戶一般都會模仿器件真實使用時的實際情況，對光潔度和接觸力做出要求。有的磁心還要求開氣隙，氣隙質(zhì)量的好壞也會直接影響到器件性能，這些在標準樣環(huán)的測試中根本反映不出來，而更多地是一種潛質(zhì)。這時測量出的性能與標準樣品測量出的性能之間的可比性可能會非常差。

（6）其他因素

在 IEC62044-3中特別強調(diào)測試前樣品應恢復到磁中性狀態(tài)，并說明了采用單繞組和雙繞組測試線圈的原則：在測試頻率超過 200kHz時，推薦使用兩個繞組測試線圈。該標準還規(guī)定了對測試儀器的性能要求。

磁中性狀態(tài)是磁性測量的基礎。一個樣品經(jīng)過測量之后，一般都不會處在磁中性狀態(tài)，為此必須對樣品進行徹底退磁，并在退磁后應靜置一段時間，以使樣品的磁狀態(tài)達到穩(wěn)定，這一點一直為國內(nèi)眾多的測試人員所忽視。

以上這些都只是由測試本身帶來的影響，除此而外，還有其他一些因素，也要引起足夠的重視。為了能夠盡可能準確地測量出器件的性能，并使其能更好地反映出材料的特性，也為了更加快捷地測量出這些特性，經(jīng)過多年的生產(chǎn)實踐，人們已經(jīng)總結出了許多方法。如對軟磁鐵氧體材料，除了給出不同形狀磁心的Le、Ae、Ve值以方便不同廠家進行比較外，同時也給出了各個磁心的形狀因子，并要求測量器件的有效磁導率μe而不是起始磁導率μi。為了能更加容易地計算出磁心電感的值，在產(chǎn)品樣本中對每種磁心都會給出電感系數(shù)AL的值。AL是鐵氧體磁心上的線圈匝數(shù)等于 1時的電感值，這個值也可以根據(jù)磁心的形狀因子和有效磁導率來計算。

另外，磁心在使用條件下的減落和老化等問題，在通信領域已經(jīng)顯得十分突出。雖然也可以進行高低溫試驗或加速老化等試驗，但很難模仿器件在真實復雜使用環(huán)境中的工作條件來進行老化，也很難測量出在這些條件下的真實性能。國外許多研究機構已經(jīng)開始研究器件在模擬的真實使用環(huán)境下的性能特點，對老化機理研究也一直沒有停止，如在高溫、高濕、高壓、輻射等條件下出現(xiàn)的性能穩(wěn)定性等問題，這些也應引起國內(nèi)同行的注意。

另外，對B-H回線的正確形狀，長期以來一直為廣大磁學界同行所忽視，這個問題甚至出現(xiàn)在一些著名的磁學教科書中。長期發(fā)來人們一直認為，當磁性材料磁化到飽和之后，其B-H磁滯回線的形狀應如圖1（a）所示，會趨于飽和，軟磁材料更應是如此，所以軟磁材料，如軟磁鐵氧體的性能指標中有飽和磁通密度值Bs。隨著測量磁場的增強，現(xiàn)在人們逐漸認識到，B值是不可能達到飽和的。因為B=μ0H+J或B=μ0（H+M），其中既含有H的成份，也含有材料的成份。只要測量場H在增加，即使此時J值已經(jīng)達到飽和值Js，B值還會一直增加，如圖1（b）所示。能飽和的是M-H或J-H回線，所以在測量B值時都要指定一個H值，相應地Bs也應換成 Bm，這里 m是指測量時的最大磁場?，F(xiàn)在行業(yè)內(nèi)說的Bs，實際指的是Bm，測量的也是Bm值。軟磁材料的HCB和HCJ值之間的差別還不是很明顯，對永磁材料來說，此二值之間的差別會非常大，甚至有成倍的差別。

圖1 軟磁材料的磁滯回線

5 常見的一些現(xiàn)象及分析

由于在其性能表征中的特殊性，使得磁性材料成為一種非常特殊的功能材料，這突出表現(xiàn)在：在材料的研究開發(fā)中，經(jīng)常會出現(xiàn)這樣一些現(xiàn)象，從而有時使得新材料的開發(fā)與新型磁心器件的開發(fā)成為完全不同的兩個方面：把新開發(fā)成功的材料用于制備特定磁心器件時，器件的性能卻并不一定能滿足設計要求，也就是說，材料的性能是合格的，但做成器件之后可能會出現(xiàn)問題，有些指標達不到要求，如，直流迭加性能、電感量等，從而需要對器件的制造工藝（如燒結工藝）進行相應地調(diào)整，有時甚至要更改材料配方；反之，按照性能推算，不合格的材料配方或工藝制備出的器件卻可能是合格的，也說是器件達到了客戶的要求，但按此材料配方工藝卻不一定能制造出合乎標準的新材料，這種現(xiàn)象突出體現(xiàn)在國內(nèi)企業(yè)對 PC30、PC40（包括PC40的A、B、C及D檔）、PC44等及高導材料的開發(fā)中；這種現(xiàn)象在國內(nèi)外各大磁性材料生產(chǎn)企業(yè)中都屢見不鮮。我們都知道，國內(nèi)許多企業(yè)雖然并未開發(fā)出真正意義上的高頻低功耗功率鐵氧體材料PC44、PC50等軟磁鐵氧體材料，但卻都在出售PC44及PC50等材料的器件；當年的PC40材料，現(xiàn)今的PC95、PC90等材料也是同樣的情況。這種現(xiàn)象在高磁導率鐵氧體材料的研發(fā)中也經(jīng)常出現(xiàn)。當然，這種現(xiàn)象也同樣存在于永磁材料的研究中。但有一點要承認，開發(fā)出新材料后，開發(fā)與此材料相關的新器件的難度會下降很多，因為二者的開發(fā)思路在本質(zhì)上是相同的。

造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的，除了上面提到的測試方面的差別之外，還有一些問題也值得我們思考。由于磁心都具有一定的結構，在不同部位厚度不同，從而導致器件不同區(qū)域所需的燒結時間不同。甚至，還要考慮到測量誤差，包括不同儀器之間的測量誤差的影響等?？蛻粢话銜付y試所用的儀器，甚至提供專用測量線圈。

更何況標準樣品的燒結工藝不一定適合用來制備磁性器件，因為對軟磁鐵氧體的各種磁心，如EI、PQ、RM、ELD、EFD等，及對永磁材料的磁瓦（還須考慮易磁化方向的問題等）及大塊磁鐵，由于形狀的不同，使得材料的壁厚在不同的部位差異很大。首先，相對于標準樣品，磁性器件在成型時的毛坯密度很難保證一致，再則，如果采用與標準樣品相同的燒結制度，對薄的地方可能燒結時間太長，而厚的地方卻可能還未燒透。另一方面，在測量繞線時，也很難保證整個器件磁化的均勻性。在相同條件下制得的不同內(nèi)外徑的圓環(huán)試樣，其微結構可能是不同的。

因為客戶一般只是嚴格控制一些在安裝時要求高的尺寸，對其他尺寸會放寬要求，為了成型需要，有時我們可能會對客戶提供的器件尺寸進行一些調(diào)整，在保證一些主要的尺寸公差的前提下，我們會對認為次要的尺寸公差放寬要求，客戶一般也會認可。但在評估這批磁心的性能時，又往往采用標準的Le、Ae、Ve值而不計入尺寸差別(公差)。這樣做的結果有時是非常理想的，正如前面提到的，計算磁路時的差異可能會使器件的性能完全達標，即使這種器件按材料指標根本達不到要求，這樣就出現(xiàn)了前面提到的現(xiàn)象。如果我們對這些器件缺乏足夠的理解，有時可能會出現(xiàn)一些嚴重的問題。因為一些在安裝上要求不是很嚴格的尺寸，可能正像開氣隙一樣，是影響器件性能的主要尺寸，它們的變化可能會嚴重影響器件的性能，也就是說，會在材料性能和器件性能之間造成更大的差異，從而會影響到整個器件的性能，如疊加性能等。雖然在軟磁材料和永磁材料中，都有形狀因子，永磁材料的形狀因子主要是受退磁場的影響，但軟磁材料的形狀因子要復雜得多，除退磁場、雜散場之外，還要考慮其導磁等功能，因為導磁性能與疊加性能是密切相關的等。

對有的要求開氣隙的器件，在開氣隙之前性能可能不達標，但調(diào)整好氣隙之后，性能會達標。有時甚至可以采用正或負公差來調(diào)整磁心尺寸以使電感量等指標滿足要求。可見，在器件性能和材料性能之間存在很大的誤區(qū)，其原因在于材料指標都是通過測量標準樣環(huán)得到的，而器件指標是通過測量器件本身得到的，但在二者之間又確實很難建立一種很好的聯(lián)系，器件的性能還可在公差范圍內(nèi)通過尺寸進行調(diào)整。在對新材料和新磁心的評審中，這種現(xiàn)象尤為突出。隨著新器件的不斷出現(xiàn)，在選用材料時如果設計人員缺乏這方面的經(jīng)驗，就會造成很多麻煩。各個廠家都非常重視與客戶交流樣品，及由客戶確認性能是否合格的方法，而不太重視不同企業(yè)之間測試的一致性問題及設備的校準等問題，也從一個側面說明了這一點。即使同樣的產(chǎn)品交給不同的客戶，要求可能是不一樣的，測量出的數(shù)據(jù)也會不同。

有時用戶還可能提出與標準樣品截然不同的測試條件，如對軟磁功率鐵氧體器件，一般都要求測量電感量，此時測量用的線圈可能是用戶提供的專用線圈，并且用戶還嚴格規(guī)定了測試時的電壓要求而無需考慮尺寸公差。在測量功耗時，給出的測試條件可能與材料不符，如對 PC50，可能要求測量700 kHz甚至1MHz時的功耗。這些問題都是值得我們研究。我們在研究中發(fā)現(xiàn)，在測量功耗時，即使同一廠家生產(chǎn)的同一型號的測試儀器之間的測試結果之間差異仍然很大。如果客戶未指定測量功耗的儀器，可能還真需要進行認真地溝通。

6 測試技術進展

長期以來，在軟磁鐵氧體測試領域逐漸形成了以日本（TDK為代表）、西門子（原 EPCOS）和PHILIPS（原Ferroxcube）等為代表的幾種測試標準體系，相應地他們也各自研制了不同系列的測試儀器，這種局面還會長期存在。我國受測試設備研制水平的限制，軟磁鐵氧體的檢測設備一直依賴進口，檢測標準也一直以國外客戶的要求為準，沒有形成自己的檢測體系。近些年，隨著我國軟磁鐵氧體行業(yè)的進步，局面有所改觀，也研制了一些簡單的檢測設備，但與國外先進標準的要求還差距較大。

當前在國際上，隨著對電子設備微型化的要求，磁心使用頻率在逐步提高，使用條件也越來越苛刻，如何表征器件在使用條件下的性能就成為國際上的研究熱點問題。隨著通訊技術的發(fā)展，越來越多的材料將使用在直流迭加環(huán)境下，人們對如何表征和測量材料在高直流迭加下的損耗也越來越感興趣[11-12]。材料的使用也不只局限在正弦條件下[13]，在幾種精確控制感應電壓波形如正弦、矩形波、三角波和帶臺階的矩形波等的條件下對軟磁鐵氧體的功耗的研究表明[14]，其功耗是不同的，而且正弦激勵下的損耗高于矩形波。研究認為因為磁化速度的變化，以前被認為是常數(shù)并與磁化頻率無關的磁滯損耗實際上與磁化波形的形狀有關。新的研究還表明[15]，不同磁通密度下測量時鐵氧體材料的電阻率會因隧道導電機制而發(fā)生變化，從而引起功耗的變化；這突出表現(xiàn)在，在不同頻段，因軟磁鐵氧體的功耗機制會發(fā)生變化，從而使功耗呈非線性變化，這時也會引起大的測量誤差。另外，在測量不同晶粒尺寸的軟鐵氧體樣品的功耗時發(fā)現(xiàn)[16]，相角與磁場的大小有關。在同一磁場下，不同晶粒尺寸樣品其相角偏離 90°的程度是不同的，從而使引入的測量誤差也是不同的。這些都是以前沒有注意到的現(xiàn)象，在以后的研究中要引起注意。

7 結論

隨著軟磁鐵氧體使用范圍的拓展、性能的不斷提升及使用頻率的逐步增加，如何準確表征軟磁鐵氧體材料在復雜使用條件下的高頻性能已經(jīng)成為一個很實際的問題。本文從理論及測試方法等方面對軟磁鐵氧體的材料性能、器件性能及二者之間的關系進行了初步探討，并就測試這兩種性能時所應注意的問題及生產(chǎn)實際中出現(xiàn)的與此有關的一些現(xiàn)象進行了一些初步分析，最后，就當前國際上在這些領域的研究熱點進行了討論，以供元件生產(chǎn)單位和整機使用單位參考。

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