高性能永磁材料磁性測(cè)量若干問(wèn)題探討及測(cè)量技術(shù)進(jìn)展.tmp

1、問(wèn)題的由來(lái)近幾年來(lái),我國(guó)的永磁材料產(chǎn)業(yè),無(wú)論是燒結(jié)磁體還是粘結(jié)磁體都取得了很大的發(fā)展,這主要體現(xiàn)在磁體性能和產(chǎn)量的提高兩個(gè)方面。如現(xiàn)在我國(guó)許多NdFeB磁體生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)可以生產(chǎn)N48、N48BH、N42SH、N35UH等高牌號(hào)的NdFeB燒結(jié)磁體,有的企業(yè)甚至可以生產(chǎn)N53、52M、40UH等世界一流的高牌號(hào)產(chǎn)品1,并且整個(gè)燒結(jié)NdFeB永磁材料產(chǎn)業(yè)正在向高剩磁Br、高矯頑力HCJ和高磁能積(BHmax指標(biāo)提升商品化材料水平。國(guó)際上產(chǎn)業(yè)化的高矯頑力材料的HCJ 已經(jīng)超過(guò)2880kA/m(36kOe,甚至達(dá)到3260kA/m(41kOe2,國(guó)內(nèi)HCJ達(dá)到1990kA/m(25kOe的產(chǎn)品已經(jīng)非常

2、普遍,高剩磁材料Br可達(dá)1.5T,普遍可以達(dá)到1.4T左右水平;國(guó)際上實(shí)驗(yàn)室水平已經(jīng)達(dá)到(B Hm a x=460k J/m3(57.8 MGOe3。Sm-Co系稀土永磁材料的性能雖還遠(yuǎn)低于其理論值,但其性能也在進(jìn)一步提升之中。國(guó)產(chǎn)永磁鐵氧體廠家已經(jīng)可以生產(chǎn)FB5系和FB6系產(chǎn)品,實(shí)驗(yàn)室已達(dá)FB9系水平。如果軟磁相是Fe,納米晶交換彈性耦合磁體的理論磁能積高達(dá)1000kJ/m3 (126MGOe4,據(jù)此估算,其剩磁Br可達(dá)到2.24T左右。各向同性和各向異性粘結(jié)磁體的性能和產(chǎn)量也在不斷提高,新材料和特殊用途永磁材料不斷涌現(xiàn),這些都為永磁測(cè)量提出了新的課題。研制或確定新的磁性材料牌號(hào),都要以材料

3、的各種磁性能指標(biāo)為依據(jù),這就使得磁性測(cè)量在磁性材料的發(fā)展中起著十分重要的作用。如何能夠盡可能準(zhǔn)確地測(cè)量出材料的各種磁性參數(shù),也就成為一個(gè)重要的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在普遍采用的一些永磁測(cè)量方法及由此而建立起來(lái)的一些永磁測(cè)量?jī)x器,都是基于傳統(tǒng)永磁材料,特別是低矯頑力材料發(fā)展起來(lái)的。隨著永磁材料性能的提高及品種增多,這些傳統(tǒng)測(cè)量方法的弱點(diǎn)也就顯示了出來(lái),并不可避免地出現(xiàn)了一些新問(wèn)題,由此也出現(xiàn)了一些新的測(cè)量方法。只有對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行深入研究和分析,才能對(duì)所測(cè)得的各種性能值有更深入的理解,這對(duì)新材料的研究無(wú)疑是非常有益的。本文擬在這方面做一些初步的探討,以期引起材料研究人員和生產(chǎn)企業(yè)的注意,也為相關(guān)的永磁測(cè)試人員提

4、供一定的參考。隨著高性能永磁材料(如粘結(jié)磁體及納米晶交換耦合磁體等新材料的出現(xiàn),用傳統(tǒng)的基于對(duì)低矯頑力材料研究而發(fā)展起來(lái)的永磁測(cè)量方法來(lái)測(cè)量這些材料時(shí)出現(xiàn)了許多新的問(wèn)題,如取樣、均勻磁化、飽和磁化及磁場(chǎng)的測(cè)量方式等。對(duì)這些問(wèn)題的研究和再認(rèn)識(shí),對(duì)新材料的研究和發(fā)展具有重要意義。本文就一些問(wèn)題進(jìn)行了定性分析,提出了解決這些問(wèn)題的方法和途徑,并對(duì)新出現(xiàn)的一些測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了分析。高性能永磁材料磁性測(cè)量若干問(wèn)題探討及測(cè)量技術(shù)進(jìn)展中國(guó)計(jì)量學(xué)院理學(xué)院應(yīng)用物理系劉亞丕物質(zhì)的磁性和物體的磁性我們都知道,磁性有物體磁性和物質(zhì)磁性之分。所謂物質(zhì)磁性,是指與物體的形狀、尺寸等無(wú)關(guān)而只與物質(zhì)的成份和微觀結(jié)構(gòu)等有關(guān)的磁性

5、,是物質(zhì)的內(nèi)稟屬性,也就是通常所說(shuō)的材料磁性。而物體磁性,是指材料磁性受物體形狀、尺寸等影響而表現(xiàn)出來(lái)的磁性。例如,開路樣品的磁性就與其形狀、尺寸等密切相關(guān),這種與樣品形狀、尺寸等有關(guān)的磁性就是物體磁性。在材料研究中,我們一般感興趣的都是物質(zhì)磁性,而在使用過(guò)程中,我們一般關(guān)心的則又是物體磁性。如在磁路設(shè)計(jì)中,永磁體形狀的設(shè)計(jì)原則是盡量使其工作點(diǎn)在物體的最大磁能積點(diǎn)附近等,就是建立在對(duì)材料磁性和物體磁性的分析基礎(chǔ)上的,這樣設(shè)計(jì)出的磁體就能把物質(zhì)磁性最充分地發(fā)揮出來(lái)。造成物體磁性和物質(zhì)磁性差異的主要原因是退磁場(chǎng)的存在。在同一磁化場(chǎng)下,物體的磁化強(qiáng)度要小于物質(zhì)的磁化強(qiáng)度,其原因主要也是由于退磁場(chǎng)的影

6、響。這也是磁性測(cè)量不同于一般機(jī)械測(cè)量或電測(cè)量的特殊之處,因此,樣品的選擇在磁性測(cè)量中具有非常重要的意義,即測(cè)出的樣品磁性(物體磁性能否反映或代表物質(zhì)磁性就成為取樣的關(guān)鍵。在磁性材料發(fā)展初期,由于材料性能,特別是矯頑力不是很高,一般實(shí)驗(yàn)室的磁場(chǎng)都能把樣品磁化到飽和,并測(cè)量出材料完整的磁滯回線,所以人們關(guān)心的大都是物質(zhì)的磁性,并以此為基礎(chǔ)來(lái)計(jì)算物體的磁性,對(duì)磁路設(shè)計(jì)人員這當(dāng)然是非常有利的。當(dāng)時(shí)人們做了大量的研究工作,以選擇合適的樣品形狀和大小,如長(zhǎng)徑比L/D、最大飽和磁化場(chǎng)等,盡量使樣品磁性與物質(zhì)磁性相接近,即使所測(cè)磁性能與樣品形狀等無(wú)關(guān),并由此認(rèn)為,測(cè)量出的樣品磁性就是物質(zhì)磁性,這也是我們制訂測(cè)

7、試標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試儀器標(biāo)準(zhǔn)的一般原則。如果樣品具有代表性,就可以此來(lái)測(cè)出物質(zhì)的磁性。隨著永磁材料的發(fā)展,材料的矯頑力越來(lái)越高,測(cè)量所需的磁化場(chǎng)相應(yīng)地不斷提高,特別是飽和充磁所需的磁場(chǎng),一般的磁化裝置很難滿足要求。要測(cè)量出物體的磁性能,特別是矯頑力,受電磁鐵磁場(chǎng)的限制,樣品長(zhǎng)度就不可能很長(zhǎng)。對(duì)稀土永磁材料,若以產(chǎn)品為樣品進(jìn)行測(cè)量,如果取樣不當(dāng),或者試樣尺寸、形狀不同,所測(cè)得的物體磁性能就與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣品得到的物質(zhì)磁性相差甚大,從而不具有代表性。材料性能越高,這種差異就越明顯,代表性也就更弱。對(duì)粘結(jié)磁體尤其如此。粘結(jié)磁體有各向同性和各向異性之分,產(chǎn)品形狀及充磁方式多種多樣,同是環(huán)形樣品,充磁方式也有很多種

8、。如,多極磁環(huán)的磁性與取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品的磁性之間的差異是非常明顯的:首先,制備磁環(huán)和標(biāo)準(zhǔn)樣品二者的工藝條件不完全相同,再則二者的磁化狀態(tài)也不完全相同,使用狀態(tài)更是差別很大,更何況多極磁環(huán)本身由于極數(shù)不同,有6極、12極等,使其磁化狀態(tài)也不盡相同。如果用傳統(tǒng)的永磁測(cè)試儀器,可能根本就無(wú)法測(cè)量出非軸向取向的多極磁環(huán)的磁性能,但它的磁性是真實(shí)存在的,就充分說(shuō)明了二者之間的差別。由此不難看出,要測(cè)量物體磁性還是物質(zhì)磁性,就成為一個(gè)很重要的問(wèn)題?，F(xiàn)在有的設(shè)計(jì)圖紙中要求的性能一般就是產(chǎn)品性能,也就是物體磁性能,就可以說(shuō)明這一點(diǎn)。這就要求我們?cè)诠┴洉r(shí)要清楚對(duì)方認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)樣品大小以得到物質(zhì)磁性或者直接以產(chǎn)品為樣

9、品進(jìn)行測(cè)試來(lái)得到物體磁性。樣品通常由于測(cè)量只能抽樣進(jìn)行,測(cè)量出的只能是樣品的磁性。樣品要具有代表性,就應(yīng)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)抽取樣品,關(guān)于抽樣原則在標(biāo)準(zhǔn)GB/T2828中已有嚴(yán)格規(guī)定。抽取的樣品要加工成符合要求的標(biāo)準(zhǔn)樣品,才能進(jìn)行測(cè)試。只有閉合環(huán)形樣品測(cè)得的物體磁特性曲線才與物質(zhì)磁特性曲線是作者簡(jiǎn)介:劉亞丕(1967-,甘肅天水人,1988年畢業(yè)于蘭州大學(xué)物理系磁學(xué)專業(yè),獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位;2000年獲蘭州大學(xué)物理系凝聚態(tài)物理學(xué)專業(yè)磁性薄膜與超晶格,核磁共振方向理學(xué)博士學(xué)位,為浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程博士后科研流動(dòng)站與橫店集團(tuán)東磁有限公司國(guó)家級(jí)博士后科研工作站2002年出站博士后,目前在中國(guó)計(jì)量學(xué)院從事科研與

10、教學(xué)工作。一致的。對(duì)開路樣品,如果要測(cè)量材料磁性,相應(yīng)地對(duì)取樣就提出了要求,以保證測(cè)出的樣品磁特性能充分反映材料磁性。以前,設(shè)計(jì)人員一般都希望測(cè)量出物質(zhì)磁性,并以此作為設(shè)計(jì)依據(jù)。但在很多情況下,考慮到測(cè)量精度、磁化裝置的磁化能力及物質(zhì)磁性和物體磁性的差異,要獲得物質(zhì)磁性,就必須對(duì)試樣的幾何形狀、尺寸、加工工藝和樣品內(nèi)部磁性能的均勻性及取樣方法(如在所抽取樣品中的取樣部位、取樣方向等等做出具體規(guī)定。為保證樣品在磁場(chǎng)均勻區(qū)內(nèi),試樣的尺寸與電磁鐵極頭的大小之間還須滿足一定的關(guān)系,這些在現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3217及IEC404-5中都有詳細(xì)規(guī)定,但這些規(guī)定在試樣的剩磁和矯頑力等都不大的情況下是適用的

11、,這時(shí)極頭還遠(yuǎn)未飽和。因?yàn)殡S著極頭的飽和,其磁導(dǎo)率會(huì)急劇下降,由此使磁場(chǎng)均勻區(qū)大為縮小,相應(yīng)地樣品大小也要做相應(yīng)調(diào)整。由于對(duì)高性能材料樣品的長(zhǎng)徑比與其性能之間的關(guān)系,也就是在L/D為多大時(shí)樣品性能就能代表物質(zhì)磁性能等還缺乏系統(tǒng)研究,為了避免這方面的問(wèn)題,在材料標(biāo)準(zhǔn)中,一般都約定一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)樣品,以方便相互比較。但應(yīng)保證所取的標(biāo)準(zhǔn)樣品具有充分的代表性。稀土永磁材料的出現(xiàn)為器件的小型化、微型化提供了條件,即稀土磁體大都具有很小的長(zhǎng)徑比,退磁場(chǎng)非常大。隨著材料性能的進(jìn)一步提高,所使用材料的體積將進(jìn)一步縮小。如果直接測(cè)量產(chǎn)品(器件的磁性,由于產(chǎn)品的長(zhǎng)徑比很小,退磁場(chǎng)很大,這就給其性能的測(cè)量帶來(lái)了許多

12、問(wèn)題,如樣品長(zhǎng)度L小,探測(cè)線圈的體積就不可能太大等。關(guān)于這方面已有文章進(jìn)行過(guò)專門討論5,在此不再贅述。另外,永磁材料還有各向同性與各向異性之分,在取樣時(shí)應(yīng)注意,這在下面還要討論。粘結(jié)永磁樣品也有其特殊性,也應(yīng)加以注意。大塊稀土永磁樣品的測(cè)試,除要求電磁鐵要有更大的極頭、勵(lì)磁電源的功率更高、磁通計(jì)的量值更寬、充磁設(shè)備的容量更大等之外,也會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題。如,在磁場(chǎng)均勻區(qū)不是很大的情況下,僅探測(cè)器(如霍爾片等的放置位置就會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果6。材料的均勻磁化問(wèn)題對(duì)開路樣品的測(cè)量,主要問(wèn)題是如何排除樣品形狀、尺寸等對(duì)均勻磁化的影響及其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。材料的均勻磁化問(wèn)題包括測(cè)量前飽和充磁時(shí)磁化的均勻性和

13、測(cè)量中磁化場(chǎng)的均勻性(即磁場(chǎng)均勻性兩個(gè)方面。除橢球外,在大小為的均勻外磁場(chǎng)中,由于退磁場(chǎng)的作用,場(chǎng),下,其中是樣品的磁化強(qiáng)是退磁因子。N一般不是常數(shù),而可見,開路樣品受退磁場(chǎng)影響,即使在均勻磁場(chǎng)中其磁化也是不均勻的,因材料各處退磁場(chǎng)的大小是不一樣的。因?yàn)橥舜艌?chǎng)的不均勻,必然影響到樣品磁化的均勻性,這就必然會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果。所以要測(cè)量物質(zhì)的磁特性曲線,樣品必須做成環(huán)形的,以避免退磁場(chǎng)的影響,并使樣品均勻磁化。因此,對(duì)開路樣品,所測(cè)得的樣品磁特性曲線與物質(zhì)磁特性曲線有很大差別,且隨樣品形狀和材料不同其差別也不一樣。此時(shí)測(cè)量出的B-H或M-H關(guān)系實(shí)際是物體(樣品的磁特性曲線,而測(cè)出的B-Hi或M-H

14、i關(guān)系才是物質(zhì)的磁特性曲線,因?yàn)槲镔|(zhì)內(nèi)的實(shí)際磁化場(chǎng)是內(nèi)場(chǎng)Hi。退磁場(chǎng)大小與樣品的形狀和尺寸等有關(guān)。由于樣品的退磁場(chǎng)主要決定于樣品的幾何形狀和尺寸,是樣品各點(diǎn)位置的函數(shù),所以有退磁場(chǎng)存在時(shí),大多數(shù)情況下不能保證樣品絕對(duì)均勻磁化。理論證明,只有橢球體樣品才能滿足均勻磁化的要求。在測(cè)量中,大多數(shù)情況下是設(shè)法使樣品部Hidi0=+Hd=M分磁化均勻,測(cè)量出均勻磁化部分的磁參數(shù)B、M、H來(lái)代替材料的真正磁性。為此,必須正確選取樣品的形狀和尺寸。這一選取要考慮三個(gè)因素:使其磁化均勻,使測(cè)量有足夠的靈敏度,還要減小渦流的影響。為盡量減小退磁場(chǎng)的影響,在給定誤差的情況下,磁導(dǎo)率越高的材料,要求其退磁因子要越小

15、,即要求其長(zhǎng)徑比L/D要更大;對(duì)于磁導(dǎo)率低的材料,退磁因子可以大些,即長(zhǎng)徑比L/D也可小些7。由于退磁場(chǎng)不能簡(jiǎn)單地直接用公式計(jì)算出來(lái),所以,應(yīng)采用合適的磁化裝置,盡量能測(cè)量出樣品的內(nèi)場(chǎng)、并盡量減小B線圈的尺寸,這樣,用磁場(chǎng)線圈測(cè)量?jī)?nèi)場(chǎng)Hi,開路樣品的物質(zhì)磁性就可由均勻磁化部分的B或M對(duì)內(nèi)場(chǎng)Hi的曲線來(lái)描述,以減小樣品的形狀、尺寸對(duì)非均勻磁化的影響及其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。由于電磁鐵是非閉合磁路,在測(cè)量中必須注意樣品與極面接觸處氣隙的影響和磁極尺寸的影響。對(duì)大尺寸樣品(如2inch,磁極尺寸會(huì)直接影響到極間磁化場(chǎng)的分布。這主要表現(xiàn)在,這主要表現(xiàn)在,磁化場(chǎng)不是很強(qiáng)時(shí),電磁鐵兩個(gè)極頭間中部的場(chǎng)強(qiáng)沿垂直于

16、極軸軸線的橫向距離的增大而減弱的比率要比電磁鐵磁極附近的減弱率大。當(dāng)磁化場(chǎng)增強(qiáng)時(shí),電磁鐵兩個(gè)極頭間中部的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng),但仍隨橫向距離增加而減弱,而在電磁鐵磁極中心至電磁鐵磁極邊緣附近,磁場(chǎng)則隨橫向距離的增大而增強(qiáng)8。測(cè)量低Hc材料時(shí),在電磁鐵中就可把樣品磁化到飽和,此時(shí)可認(rèn)為樣品無(wú)退磁場(chǎng),所以對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大。但對(duì)高Hc樣品,一方面,其磁化是在脈沖場(chǎng)或超導(dǎo)螺線管中進(jìn)行,此時(shí)不但退磁場(chǎng)Hd不均勻,而且脈沖場(chǎng)或超導(dǎo)螺線管中磁場(chǎng)的均勻性也是一個(gè)問(wèn)題,況且也很難避免樣品在磁化過(guò)程中不發(fā)生位移,就使得其磁化的均勻性得不到保證。另一方面,隨材料Br和Hc增大,測(cè)試時(shí)極頭局部飽和的現(xiàn)象更容易出現(xiàn),磁化場(chǎng)的均勻

17、性也很難得到保證,加之退磁場(chǎng)不可忽略,其內(nèi)場(chǎng)將更加不均勻。這兩個(gè)現(xiàn)象都會(huì)嚴(yán)重影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性。材料的飽和充磁問(wèn)題表征永磁材料磁性的B r、H c及(BHmax等參量的大小一般都是指先把材料磁化到飽和,再減小磁場(chǎng)所得到的極限磁滯回線上所測(cè)得的值,因此,它們的測(cè)量值與磁化場(chǎng)的大小是有密切關(guān)系的。只有把材料磁化到飽和后再進(jìn)行測(cè)試所得到的參量值才是最大值,才能標(biāo)志材料的性能。實(shí)驗(yàn)證明,對(duì)硬磁材料,當(dāng)HHm時(shí),其Br和Hc等值就不隨磁化場(chǎng)的增大而變化,其中Hm為最低飽和磁化場(chǎng),其大小對(duì)不同材料是不同的。所以,不同材料的Hm 在GB/T3217中也做了規(guī)定。IEC404-5及GB/T3217中規(guī)定“當(dāng)磁

18、化場(chǎng)強(qiáng)度由某一值增加50%時(shí),試樣的Br和HCB(或HCJ增加均不超過(guò)1%,該磁場(chǎng)值就被認(rèn)為是這種永磁材料的最低飽和磁化場(chǎng)強(qiáng)度值”。一般認(rèn)為,在閉路磁化狀況下,對(duì)永磁材料,選取Hm(410HCJ為宜。其中對(duì)Hc20kA/m的高矯頑力永磁材料,Hm一般選取為約(45HCJ。對(duì)開路磁化的情況,由于退磁場(chǎng)的影響,其Hm要選得更大7。由于高矯頑力材料飽和磁化所需的磁場(chǎng)在電磁鐵中很難達(dá)到,所以一般都是先脈沖充磁,再進(jìn)行測(cè)量。按照IEC404-5及GB/T3217中的規(guī)定,永磁材料的最低飽和磁場(chǎng)為被測(cè)樣品HCJ的35倍,但由于退磁效應(yīng)、渦流效應(yīng)、磁后滯效應(yīng)等的影響,要使脈沖場(chǎng)和直流場(chǎng)的磁化作用等效,要求脈

19、沖場(chǎng)有更高的峰值,僅用峰值是矯頑力的3 5倍來(lái)估計(jì)充磁磁場(chǎng)顯然是不夠的。在GB/T3217中對(duì)內(nèi)稟矯頑力大于600kA/m 的稀土永磁材料,規(guī)定其初始飽和磁化場(chǎng) 為11.5HCJ,但標(biāo)準(zhǔn)中也同時(shí)說(shuō)明,要考核其重復(fù)性,則需更高的磁化場(chǎng):“測(cè)量前,用脈沖磁化器或超導(dǎo)螺線管磁化試樣,最大磁化場(chǎng)至少應(yīng)為該材料內(nèi)稟矯頑力HCJ的35倍”。這就對(duì)高矯頑力材料的飽和磁化場(chǎng)提出了更高的要求,對(duì)HCJ達(dá)到2400kA/m(30kOe的材料,一般其飽和場(chǎng)至少要8000kA/m(100kOe,這在一般的脈沖裝置中也很難達(dá)到,也是一般企業(yè)所難以達(dá)到的,所以對(duì)這種材料的準(zhǔn)確測(cè)量就存在很大的問(wèn)題。這樣,對(duì)同一樣品,由充磁

20、磁場(chǎng)差異帶來(lái)的影響也就成為一個(gè)很大的問(wèn)題。為此,在有的材料標(biāo)準(zhǔn)中,一般都規(guī)定一個(gè)最低飽和磁化場(chǎng),以方便比較。在永磁測(cè)量中一般都使用圓柱形和條形樣品。這不僅是因?yàn)槠湟子诩庸?還因?yàn)楦飨虍愋杂来挪牧系拇判阅芘c晶粒取向密切相關(guān),采用條形樣品可以測(cè)出磁的各向異性。高性能稀土永磁材料都是各向異性的,在制造過(guò)程中加磁場(chǎng)成型,就決定了其磁化的方向。粘結(jié)永磁也有各向同性和各向異性之分。對(duì)各向異性樣品,充磁方向(測(cè)量方向一定要與其取向一致。前面已經(jīng)提到,對(duì)于這類圓柱形和條形樣品,即使是在均勻的外磁化場(chǎng)中,其磁化也是不均勻的。其退磁因子不僅與樣品的尺寸、磁化強(qiáng)度的大小等有關(guān),還與磁化歷史有關(guān),這就使得飽和磁化更加

21、困難。為此,樣品制備好之后,一般要求在進(jìn)行磁性測(cè)量或充磁前必須將樣品充分退磁,而一般的退磁方法很難滿足完全退磁的要求,加熱退磁又存在氧化和性能改變的風(fēng)險(xiǎn)。我們都知道,對(duì)低Hc材料,為使其磁狀態(tài)穩(wěn)定及避免磁滯的影響,樣品都需在飽和場(chǎng)中進(jìn)行磁鍛煉。磁鍛煉是使樣品在給定的磁場(chǎng)下達(dá)到穩(wěn)定磁化狀態(tài)的一種方法,做法是在磁化電流下?lián)Q向(即反復(fù)磁化若干次。對(duì)高矯頑力材料,根本無(wú)法進(jìn)行磁鍛煉,這就使得其磁狀態(tài)很難達(dá)到穩(wěn)定,即很難避免磁滯的影響。所以,脈沖磁化場(chǎng)必須要有足夠的脈沖寬度,否則很難磁化到飽和,或者飽和磁化的效果很難得到保證5。靜態(tài)測(cè)試與動(dòng)態(tài)測(cè)試磁性材料的磁性能分為動(dòng)態(tài)磁性能和靜態(tài)磁性能兩個(gè)方面。靜態(tài)磁

22、特性是指磁性材料在直流磁場(chǎng)磁化下的磁特性,即磁性材料在直流磁場(chǎng)磁化下得到的基本磁化曲線、磁滯回線及由它們所定義的各種磁參數(shù)。磁性材料一般都具有磁滯現(xiàn)象,即材料磁化的變化慢于外磁場(chǎng)變化,這就使得動(dòng)態(tài)磁特性和靜態(tài)磁特性間有很大的不同,從而測(cè)量速度的影響也就變得不容忽視。永磁材料的磁性能一般都是指靜態(tài)磁性能,所以永磁測(cè)量一般都是在靜態(tài)下測(cè)得的,這樣就可以盡可能地消除磁滯的影響。在自動(dòng)測(cè)試中,一般要求進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試,也就是說(shuō)測(cè)量速度不能快,以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試的要求。為進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,自動(dòng)測(cè)試時(shí)必須對(duì)測(cè)量速度進(jìn)行控制,特別是在Br 點(diǎn)和HCJ點(diǎn),應(yīng)盡可能在準(zhǔn)靜態(tài)條件下進(jìn)行測(cè)試,以保證足夠的精度和重復(fù)性。在高

23、Br和高HCJ材料的測(cè)試中,如果測(cè)量速度過(guò)快,一方面,由于磁滯,會(huì)使測(cè)試結(jié)果不真實(shí);另一方面,對(duì)高Br材料及在極高的磁場(chǎng)中,材料的磁通密度非常高,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,極易引起大的渦流,必定還會(huì)伴隨樣品和磁化裝置的渦流自感和磁后效等動(dòng)態(tài)效應(yīng)的影響,樣品的磁狀態(tài)也難以達(dá)到穩(wěn)定,從而嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果,這種影響在Br和HCJ點(diǎn)上更為突出。另外,對(duì)高HCJ 材料,所需磁化電流很大,將使得測(cè)試電源長(zhǎng)時(shí)間工作在大電流下,測(cè)量速度越慢,就要求其耐大電流的能力要越強(qiáng),對(duì)其耐大電流的能力是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)?？梢?要獲得高的HCJ和Br準(zhǔn)確度,測(cè)量速度就一定要慢,以克服磁滯及渦流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,否則就會(huì)得到一個(gè)虛假的

24、HCJ和Br值。極頭飽和帶來(lái)的影響永磁樣品一般都是放在電磁鐵中進(jìn)行產(chǎn) 經(jīng) 測(cè)量的，主要原因在于這樣能構(gòu)成閉合 磁路， 以消除退磁場(chǎng)的影響。 電磁鐵與樣 品構(gòu)成閉合磁路的原理在于存在鏡像效 應(yīng) ： 此時(shí)樣品的等效長(zhǎng)度會(huì)變?yōu)闊o(wú)限 長(zhǎng)，因此其退磁因子會(huì)減小至零。 此時(shí)電 磁鐵的幾何形狀和使用材料的磁導(dǎo)率值是 最重要的因素。 電磁鐵與樣品構(gòu)成閉合磁 路， 必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件：、 電磁鐵極 用霍爾探頭測(cè)量磁場(chǎng)（包 括溫度系數(shù)）帶來(lái)的影響 磁場(chǎng)的測(cè)量主要有基于電磁感應(yīng)原理的 感應(yīng)法 （包括沖擊法、 磁通計(jì)法、 電子積分 器等） 和基于電磁效應(yīng)的方法 （如霍爾效應(yīng) 法、 磁電阻效應(yīng)法， 磁共振法等方法）在

25、自 。 頭和磁軛應(yīng)具有較高的磁導(dǎo)率 、 ； 樣品端 動(dòng)測(cè)試儀器中， 一般都是使用霍爾效應(yīng)法， 面與極頭端面應(yīng)緊密接觸 （要求極頭和樣 即用霍爾磁強(qiáng)計(jì)來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。 用霍爾效應(yīng)測(cè) 品端面都必須具有較高的光潔度， 且為鏡 量磁場(chǎng)時(shí)， 以下一些因素是不能忽視的。 面） 極頭端面面積遠(yuǎn)大于樣品的截面積。 ， 霍爾元件和其他半導(dǎo)體元件一樣，對(duì) 這也就要求極頭不能飽和，為磁等位面。 和 中都說(shuō)明： “工作時(shí)，極頭中的磁通密度應(yīng) 比其飽和磁通密度低得多， 以保 證極面近似于磁等位面。實(shí)用 上， 對(duì)于電工純鐵極頭的磁通密 度應(yīng)小于 ，對(duì)于含鈷 的鐵鈷極頭的磁通密度應(yīng)小 于” 而磁體及納米 。 交換耦合磁體的剩磁

26、均比較高， 都超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)小于的要求。 此 時(shí)，極頭將不再是磁等位面。 極頭飽和對(duì)高 材料和大塊樣品的 測(cè)量將帶來(lái)較大的影響， 因?yàn)樵跍y(cè)量高 和高 的永磁材料時(shí)，極頭更易出現(xiàn)飽 和或局部飽和現(xiàn)象。當(dāng)極頭飽和時(shí)， 其磁 導(dǎo)率降低， 極頭內(nèi)鏡像的磁極化強(qiáng)度值將 大大減弱，也就是鏡像效應(yīng)將減弱， 這使 得退磁場(chǎng)的影響變得更不可忽略。另外， 也會(huì)影響到磁場(chǎng)測(cè)量的真實(shí)性， 這一點(diǎn)在 下面還要論述。 這些都會(huì)影響到測(cè)量的準(zhǔn) 確性。 在這種情況下， 樣品的長(zhǎng)徑比對(duì)測(cè)量 結(jié)果將產(chǎn)生很大的影響。因?yàn)椋?在一定的 長(zhǎng)徑比下，樣品與極頭間的鏡像效應(yīng)越 強(qiáng)，退磁場(chǎng)的影響將越小。 這也是研究長(zhǎng) 徑比對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的原因，

27、也是標(biāo)準(zhǔn)中 規(guī)定樣品大小及長(zhǎng)度的原因之一。 如果樣 品的長(zhǎng)徑比、尺寸不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 就只 能以產(chǎn)品為樣品來(lái)進(jìn)行測(cè)量了， 這樣不同 儀器的測(cè)量結(jié)果間的可比性會(huì)更強(qiáng)些。 溫度變化特別敏感，它的性能參數(shù)，如 霍爾電壓、輸入電阻、輸出電阻、霍爾 靈敏度等都隨溫度變化而變化，即霍爾元 件的性能都會(huì)隨溫度的變化而變化。雖然 可以采取一定的補(bǔ)償措施，但由于這種變 化的非線性，很難進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償，從而 使測(cè)量結(jié)果不真實(shí)。 由霍爾效應(yīng)引起的測(cè)量誤差主要來(lái)自 以下四個(gè)方面： 、霍爾系數(shù)隨溫度而改 變，使得在測(cè)量時(shí)引入誤差，特別是在室 溫變化時(shí)和在測(cè)量樣品的溫度系數(shù)時(shí)會(huì)引 入誤差；、 磁電阻效應(yīng)引起的誤差：霍爾 元

28、件的電阻會(huì)隨著磁場(chǎng)變化，因此，當(dāng)供 電電壓一定時(shí)， 供電電流會(huì)隨磁場(chǎng)而改變， 這種改變是非線性的，這一影響在被測(cè)磁 場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)尤為顯著；在一定溫度下，當(dāng)霍 爾元件的控制電流恒定時(shí)， 隨磁場(chǎng)增加， 霍 爾元件的輸出電壓不呈線性增加，尤其在 強(qiáng)磁場(chǎng)情況下更為明顯；、 霍爾系數(shù)也隨 磁場(chǎng)而變；、 不等位電動(dòng)勢(shì)的誤差， 這種 電勢(shì)還受溫度影響。這些誤差都是霍爾元 件所固有的，所以是很難避免的。 另外，在測(cè)量高 或高 材料時(shí)， 樣品所處的極頭區(qū)域極可能會(huì)飽和，因 此，磁體內(nèi)的磁場(chǎng)比樣品旁邊氣隙中的磁 場(chǎng)要小。此時(shí)用霍爾探頭測(cè)得的磁場(chǎng)將不 再是樣品的內(nèi)場(chǎng)，從而會(huì)引入測(cè)量誤差。 溫度系數(shù)（）和（ ）是稀土永

29、磁材料十分重要的參數(shù)， 特別是對(duì)永 磁，但對(duì)其測(cè)量方法，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中未給予 詳細(xì)規(guī)定。在測(cè)量溫度系數(shù)時(shí)，若用霍爾 年第 期 產(chǎn) 經(jīng) 磁強(qiáng)計(jì)來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)，由于霍爾效應(yīng)本身 與溫度有關(guān)，在高溫下也就不適宜于測(cè) 量磁場(chǎng)，也不適宜用它來(lái)測(cè)量溫度系數(shù) 較大的材料的磁性能。 可見，當(dāng)用霍爾磁強(qiáng)計(jì)來(lái)測(cè)量強(qiáng)磁 場(chǎng)時(shí)，由霍爾效應(yīng)引入的非線性誤差將 非常顯著，且不可能進(jìn)行補(bǔ)償，此時(shí)， 已經(jīng)不適宜用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)高性 能材料尤其如此。現(xiàn)在有些測(cè)量?jī)x器用 線圈來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)，就不存在上述問(wèn)題。 個(gè)面的磁性，并取其平均值就是基于這 方面的考慮。粘結(jié)磁體及納米復(fù)相永磁 等的測(cè)量也有其特殊性，這主要表現(xiàn)在： 粘結(jié)磁體一方面磁體

30、形狀復(fù)雜， 充磁方式 復(fù)雜，又有同性和異性之分，測(cè)量時(shí)一般 都需專門取樣， 而納米復(fù)相永磁一般也都 是做成粘結(jié)磁體使用， 所以在測(cè)量時(shí)都應(yīng) 加以注意。 對(duì)稀土永磁，開始測(cè)量時(shí)正向磁化場(chǎng) 如果不夠大，也會(huì)帶來(lái)影響：由于稀土永 磁一般是先充磁， 再放到電磁鐵中進(jìn)行測(cè) 量， 此時(shí)其磁狀態(tài)應(yīng)該在退磁曲線上某一 點(diǎn)。測(cè)量一開始，還須加正向磁化場(chǎng)，以 使樣品真正回到剩磁點(diǎn)。 材料矯頑力不同， 所需的正向磁化場(chǎng)的強(qiáng)度也會(huì)有差異。 每 次測(cè)量完成后， 極頭都會(huì)存在一定的剩磁， 有時(shí)也會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果。 樣品放置不當(dāng)， 在極頭與樣品間還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力， 從而影響 測(cè)量結(jié)果。關(guān)于這些，已有文章進(jìn)行專門 討論 ，在此不

31、再贅述。另外，在平時(shí) 還應(yīng)注意不要損壞極頭， 保持極頭的光潔 度和平整度、平行度，并注意清除極頭上 吸附的異物。 測(cè)試儀器的其它 因素帶來(lái)的影響 還有一個(gè)方面的問(wèn)題，也應(yīng)引起足 夠的重視。 現(xiàn)在國(guó)內(nèi)使用的絕大多數(shù)永磁 自動(dòng)測(cè)試儀器， 都須借助標(biāo)準(zhǔn)樣品來(lái)校準(zhǔn)。 從嚴(yán)格意義上講， 這種測(cè)量方法屬于相對(duì) 測(cè)量，而不是絕對(duì)測(cè)量， 當(dāng)然標(biāo)準(zhǔn)樣品也 是傳遞標(biāo)準(zhǔn)的一種方法。 但現(xiàn)在所使用的 標(biāo)準(zhǔn)樣品都是性能不高的鋁鎳鈷或鐵氧體 磁體，其 都很低，根本不能完成全量 程的標(biāo)準(zhǔn)傳遞， 即對(duì)高性能材料的測(cè)試， 這 種相對(duì)測(cè)量方法存在很大的局限性。 除以上這些因素之外， 影響永磁測(cè)量 的因素還有很多。 例如， 在滿足

32、 及 中對(duì)極頭尺寸、 磁場(chǎng)均勻 區(qū)范圍及樣品尺寸等規(guī)定的條件下， 且在 極頭沒有飽和時(shí)， 磁場(chǎng)的均勻性才可以得 到保證；但當(dāng)極頭飽和時(shí)， 在極間距不變 的情況下，磁場(chǎng)均勻區(qū)的半徑會(huì)明顯減 少。 測(cè)量大塊樣品時(shí)， 尤其要注意這一點(diǎn)。 測(cè)試樣品形狀對(duì)測(cè)量結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生很 大的影響。對(duì)同一材料，不同長(zhǎng)徑比 的樣品， 測(cè)量出來(lái)的性能可能會(huì)有很大差 別，對(duì)高 材料及高 材料，由于樣 品形狀復(fù)雜 （不只是矩形或圓形）這種差 ， 別可能會(huì)更加明顯。 對(duì) 鐵 氧 體 永 磁 ，受 制 造 工 藝 的 影 響，即使對(duì)同一樣品，正反兩面的性能 也會(huì)有差別，性能越高，差異可能會(huì)越 明顯，所以鐵氧體永磁的測(cè)量也有其特

33、殊性?，F(xiàn)在有的測(cè)量方法規(guī)定要測(cè)量?jī)?新的測(cè)量技術(shù)及儀器 基于上面這些原因，國(guó)內(nèi)外一直在研 究新的測(cè)量技術(shù)。 這種技術(shù)主要體現(xiàn)在兩 個(gè)方面：一種是對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量方法進(jìn)行改 進(jìn)，以使其能適應(yīng)新材料發(fā)展的需要。人 們現(xiàn)在所面臨的最大問(wèn)題是高矯頑力材料 的測(cè)試問(wèn)題， 現(xiàn)在的普通電磁鐵一般都不 足以測(cè)量出超高矯頑力材料的性能， 所以 提高電磁鐵的測(cè)量磁場(chǎng)就成為各個(gè)生產(chǎn)測(cè) 量?jī)x器廠家的主要任務(wù)之一。 這就需要加 大電磁鐵的體積，增大勵(lì)磁電源的功率， 相應(yīng)的儀器價(jià)格也就很高。 但這樣做也會(huì) 帶來(lái)很多負(fù)面影響，正如前面所提到的， 除極頭飽和等一系列問(wèn)題外， 電磁鐵的功 率越大，一方面其線圈的發(fā)熱也越明顯， 所能

34、提供的最大磁場(chǎng)值會(huì)隨電磁鐵溫度的 升高而下降，其效率也就會(huì)降低；另一 方面就要求測(cè)量速度要快， 否則電路承受 年第 期 產(chǎn) 經(jīng) 不了，這 樣 也 就 不 能 滿 足 準(zhǔn) 靜 態(tài) 的 要 求。由于現(xiàn)在能否測(cè)量出其矯頑力值是 一個(gè)主要因素，所以對(duì)其準(zhǔn)確性的考慮 還在其次。德國(guó)的瑪格力磁電有限公司 （）對(duì)其傳統(tǒng)的電磁鐵進(jìn) 行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在 的電源功率下， 其型電磁鐵的最大磁場(chǎng)可達(dá)到超過(guò) 的磁場(chǎng)（此時(shí)極間距為 ） ，同時(shí) 還能保證相同的測(cè)量精度，不能不說(shuō)是 一個(gè)進(jìn)步。 另一種方法是完全拋棄現(xiàn)在基于電磁 鐵的傳統(tǒng)測(cè)量方法， 這當(dāng)然是可以理解的。 從上面的分析可以看出， 傳統(tǒng)方法的弊病 很難完全得到克服， 其發(fā)展空間也不是很 大， 所以就發(fā)展出所謂脈沖磁場(chǎng)測(cè)試裝 置， 這當(dāng)然是因?yàn)槊}沖磁場(chǎng)能提供更大的 可。測(cè)量速度也是一個(gè)很重要的因素。前 面已經(jīng)提到永磁材料主要是測(cè)量其直流磁 特性，如果測(cè)量速度太快，會(huì)帶來(lái)很多 問(wèn)題。由于磁滯的存