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          衡陽市金則利特種合金股份有限公司

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      4. 非晶軟磁合金材料及其產業現狀與發展前景
        發布時間:2014-03-28 來源:本站 點擊數:204
        1、非晶軟磁合金材料及其應用
            1.1 非晶軟磁合金材料及其形成機理
            我們根據原子排列方式把物質劃分為晶體和非晶體兩類。物質里面的原子排列是整齊有序的叫做晶體;物質的原子排列是混亂的叫做非晶體。通常情況下,金屬及合金在從液體凝固成固體時,原子總是從液體的混亂排列轉變成整齊的排列,即成為晶體。但是,如果金屬或合金的凝固速度非??欤ɡ缬妹棵敫哌_一百萬度的冷卻速率將鐵-硼合金熔體凝固),原子來不及整齊排列便被凍結住了,最終的原子排列方式類似于液體,是混亂的,這就是非晶合金(又稱為金屬玻璃)。
            由于不同的物質形成非晶所需要的冷卻速度大不相同。單一金屬需要每秒高達一億度以上的冷卻速度才能形成非晶態。受目前工藝水平的限制,實際生產中難以達到如此高的冷卻速度,普通的單一的金屬難以從生產上制成非晶。為了獲得非晶態的金屬,一般將金屬與其它物質混合。當原子尺寸和性質不同的幾種物質搭配混合后,就形成了合金。這些合金具有兩個重要性質:①合金的成分一般在冶金學上的所謂“共晶”點附近,它們的熔點遠低于純金屬,例如FeSiB合金的熔點一般為1200度以下,而純鐵的熔點為1538度;②由于原子的種類多了,合金在液體時它們的原子更加難以移動,在冷卻時更加難以整齊排列,也就是說更加容易被“凍結”成非晶。有了上面的兩個重要條件,合金才可能比較容易地形成非晶。實際上,目前所有的實用非晶合金都是兩種或更多種元素組成的合金,例如Fe-Si-B,FeNiPB,CoZr,ZrTiCuNi等。
            迄今為止,國內外非晶合金開發最多的是作為軟磁材料的一類。它們在化學成分上的一個共同點是:由兩類元素組成:一類是鐵磁性元素(鐵、鈷、鎳或者他們的組合),它們用來產生磁性;另一類是硅、硼、碳等,它們稱為類金屬,也叫做玻璃化元素,有了它們,合金的熔點比純金屬降低了很多,才容易形成非晶。
            1.2 非晶軟磁合金材料的種類
            1.2.1 鐵基非晶合金
            鐵基非晶合金:主要元素是鐵、硅、硼、碳、磷等。它們的特點是磁性強(飽和磁感應強度可達1.4-1.7T)、磁導率、激磁電流和鐵損等軟磁性能優于硅鋼片,價格便宜,最適合替代硅鋼片,特別是鐵損低(為取向硅鋼片的1/3-1/5),代替硅鋼做配電變壓器可降低鐵損60-70%。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03毫米左右,廣泛應用于中低頻變壓器的鐵心(一般在10千赫茲以下),例如配電變壓器、中頻變壓器、大功率電感、電抗器等。
            1.2.2 鐵鎳基非晶合金
            鐵鎳基非晶合金:主要由鐵、鎳、硅、硼、磷等組成,它們的磁性比較弱(飽和磁感應強度大約為1T以下),價格較貴,但磁導率比較高,可以代替硅鋼片或者坡莫合金,用作高要求的中低頻變壓器鐵心,例如漏電開關互感器。
            1.2.3 鈷基非晶合金
            鈷基非晶合金:由鈷和硅、硼等組成,有時為了獲得某些特殊的性能還添加其它元素,由于含鈷,它們價格很貴,磁性較弱(飽和磁感應強度一般在1T以下),但磁導率極高,一般用在要求嚴格的軍工電源中的變壓器、電感等,替代坡莫合金和鐵氧體。
            1.2.4 納米(超微晶)軟磁合金材料
            由于非晶合金中原子的排列是混亂無序的這種特殊結構,使得非晶合金具有一些獨特的性質。所以,以前的非晶合金在使用時,必須保證它們處于非晶態。一般的非晶合金存在著發生晶化的可能性,一旦在晶化溫度以上退火,材料內部的原子排列就變成了有序的,也就是說成為晶體,而且晶粒組織很粗大,這時非晶合金原有的磁性能就會喪失。因此,一般的非晶合金都要在非晶狀態下使用。但是,自從八十年代末,日本的吉澤克仁等發現,含有Cu和Nb的鐵基非晶合金在晶化溫度以上退火時,會形成非常細小的晶粒組織,晶粒尺寸僅有10-20納米。這時材料磁性能不僅不惡化,反而非常優良。這種非晶合金經過特殊的晶化退火而形成的晶態材料稱為納米晶合金(以前也曾稱為超微晶合金)。
            鐵基納米晶合金由鐵、硅、硼和少量的銅、鉬、鈮等組成,其中銅和鈮是獲得納米晶結構必不可少的元素。它們首先被制成非晶帶材,然后經過適當退火,形成微晶和非晶的混合組織。這種材料雖然便宜,但磁性能極好,幾乎能夠和非晶合金中最好的鈷基非晶合金相媲美,但是卻不含有昂貴的鈷,是工業和民用中高頻變壓器、互感器、電感的理想材料,也是坡莫合金和鐵氧體的換代產品。
            1.3 非晶軟磁合金材料的優點
            1.3.1優良的磁性
            與傳統的金屬磁性材料相比,由于非晶合金原子排列無序,沒有晶體的各向異性,而且電阻率高,因此具有高的導磁率、低的損耗,是優良的軟磁材料,代替硅鋼、坡莫合金和鐵氧體等作為變壓器鐵心、互感器、傳感器等,可以大大提高變壓器效率、縮小體積、減輕重量、降低能耗。非晶合金的磁性能實際上是迄今為止非晶合金最主要的應用領域。
            1.3.2高強韌性
            明顯高于傳統的鋼鐵材料,可以作復合增強材料,如釣魚桿等。國外已經把塊狀非晶合金應用于高爾夫球擊球拍頭和微型齒輪。非晶合金絲材可能用在結構零件中,起強化作用。另外,非晶合金具有優良的耐磨性,再加上它們的磁性,可以制造各種磁頭。
            1.3.3靈活的處理工藝
            和其它磁性材料相比,非晶合金具有很寬的化學成分范圍,而且即使同一種材料,通過不同的后續處理能夠很容易地獲得所需要的磁性。所以非晶合金的磁性能是非常靈活的,選擇余地很大,為電力電子元器件的選材提供了方便。
            1.3.4制造工藝簡單,節能、環保
            傳統的薄鋼板,從煉鋼、澆鑄、鋼錠開坯、初軋、退火、熱軋、退火、酸洗、精軋、剪切到薄板成品,需要若干工藝環節、數十道工序。由于環節多,工藝繁雜,傳統的鋼鐵企業都是耗能大戶和污染大戶,有“水老虎”和“電老虎”之稱。而非晶合金的制造是在煉鋼之后直接噴帶,只需一步就制造出了薄帶成品,工藝大大簡化,節約了大量寶貴的能源,同時無污染物排放,對環境保護非常有利。正是由于非晶合金制造過程節能,同時它的磁性能優良,降低變壓器使用過程中的損耗,因此被稱為綠色材料和二十一世紀的材料。表1是非晶軟磁合金材料與其它常用軟磁材料性能的比較。
            1.4 非晶軟磁合金材料的應用領域
            由于非晶軟磁合金具有優良的電磁性能,應用領域非常廣闊。
            1.4.1電力電子技術領域:
            大功率中、高頻變壓器 
            逆變電源變壓器 
            大功率開關電源變壓器
            1.4.2通訊技術:
            程控交換機電源 
            數據交換接口部件 
            脈沖變壓器 
            UPS電源濾波和存儲電源、功率因素校正扼流圈、標準扼流圈
            1.4.3抗電磁干擾部件:
            交流電源、可控硅、EMI差模、共模電感、輸出濾波電感
            1.4.4開關電源:
            磁飽和電抗器 
            磁放大器 
            尖峰抑制器 
            扼流圈
            1.4.5傳感器:
            電流電壓互感器 
            零序電流互感器 
            漏電開關互感器 
            防盜感應標簽
            1.5有關非晶軟磁合金材料的幾個問題
            1.5.1 材料穩定性
            1.5.1.1溫度穩定性(指非晶態合金的磁性能隨使用溫度的變化):
            常用的磁性材料,當溫度升高時,其飽和磁通密度都是下降的。當溫度高于一定值時,材料變成順磁性的,原有磁性能喪失,無法繼續使用。這個溫度稱為磁性材料的居里溫度(或居里點)。居里點越高,表明材料可能的使用溫度越高,即材料的溫度穩定性越好。
            對于幾種常用的磁性材料,其居里溫度如下:
            硅鋼:>600℃,坡莫合金:>400℃,鐵氧體: <200℃,鐵基非晶:>400℃
            鐵氧體無論是飽和磁通密度還是居里點都是最低的;硅鋼的居里點最高,可惜只能在低頻使用;坡莫合金的居里點較高,飽和磁通密度中等,同時能在20kHz以上使用,但價格高;而不同的非晶態合金具有不同的飽和磁通密度和居里點,分別可以應用于高頻和低頻,同時價格也低于相應的其它材料。因此,可以說非晶態合金作為變壓器鐵心使用是非常理想的。
            除了居里點以外,非晶態合金的晶化溫度也是衡量材料溫度穩定性的一個重要參數。由于非晶態合金在高溫下會發生晶化,由此它的使用溫度受到晶化溫度的限制。但是,非晶態合金的晶化溫度的高低是足以應付幾乎所有使用條件的。通常,非晶態合金的晶化溫度在450-600 ℃之間,而高頻電源中的其它元器件的最高使用溫度也只不過在150℃以下。非晶態合金的溫度穩定性對于某些應用是至關重要的,因此,在非晶態合金的研究開發過程中,溫度穩定性得到了充分的重視。早在八十年代,廣大軍工用戶就提出了非常嚴格的溫度穩定性要求。
            通常情況下,非晶態合金必須滿足如下要求:
            溫度范圍:-55℃—+130℃ ,主要性能變化率:<±15%
            鈷基非晶合金的磁性能溫度穩定性相當好,通常作為軍工產品使用。對于鐵基微晶合金,雖然性能的變化率較大,但值得注意的是,其高頻損耗隨使用溫度的升高而降低??紤]到變壓器鐵心的實際工作溫度總是高于室溫,這種變化實際上是有利的。
            綜上所述,非晶態合金的溫度穩定性非常值得信賴,使用溫度在130℃以下的變壓器鐵心完全沒有問題。
            1.5.1.2時效穩定性(指在一定溫度下,非晶態合金的磁性能隨時間的變化):
            對于大多數變壓器鐵心來說,其使用時間往往較長。由于非晶態合金處于亞穩態,在一定條件下有晶化的趨勢。這使人們擔心,隨著使用時間的延長,非晶合金的磁性能會不會由于晶化而喪失。為了驗證非晶態合金經過長時間使用會不會失效,最直接的方法莫過于將非晶態合金鐵心在實際使用條件下長期運轉,觀察磁性能的變化。美國自八十年代就已經開始非晶態合金的生產,并大量應用于配電變壓器鐵心。根據大量報道,這些變壓器一直在正常運行,表明非晶鐵心的時效穩定性是可靠的。我國自八十年代起將非晶態合金應用于開關電源、中頻變壓器及漏電保護開關等多種場合,至今沒有因為鐵心性能惡化導致變壓器失效的例子,這充分證明我國的非晶態合金在時效穩定性方面是安全的。
            但是,對于眾多的非晶態合金來說,都進行模擬實際應用的長時間試驗顯然是不現實的。正如前面所述, 非晶態合金在一定溫度下有發生晶化的趨勢,這種趨勢隨著溫度的降低是呈指數規律迅速遞減的。根據這種規律,我們通常利用高溫短時間的時效試驗代替低溫長時間的試驗,用以說明材料的時效穩定性。對于常見的非晶軟磁合金,最常用的試驗條件為:時效溫度130℃,時效時間200小時。
            從試驗結果來看,非晶態合金的高溫時效穩定性是非常好的。一般認為,非晶態合金在130℃以下使用是可靠的,有些品種的使用溫度甚至可以達到150℃。
            1.5.1.3磁沖擊穩定性(非晶納米晶鐵心經過強磁場的沖擊后保持原有磁性能的能力):
            非晶鐵心在使用過程中,有時會受到來自電源內部或外部的強磁場沖擊。在強磁場沖擊后,鐵心保持原有性能是非常關鍵的。否則,鐵心性能的惡化會降低電源效率,嚴重的甚至造成鐵心工作點偏移,使鐵心飽和,損壞開關管。為了研究非晶態合金的磁沖擊穩定性,曾經對不同材料的鐵心進行了一系列磁沖擊試驗,試驗結果充分表明,非晶態合金經過適當處理后,磁性能完全可以經受強磁場的沖擊而基本復原。
            1.5.1.4機械穩定性(指非晶態合金經過機械沖擊振動后磁性能的變化):
            非晶態合金在使用前,一般都要經過熱處理。而經過熱處理后,材料比較脆。但無論什么材料,作為變壓器鐵心使用時,大多數要放在保護盒中或表面注塑后使用。對于非晶態合金,在鐵心裝入保護盒時通常還要加入某些襯墊物,如硅脂、海綿等。這些措施完全可以保證鐵心在使用中不發生損壞和磁性能惡化。
            在非晶態合金研究開發的初期,首先是在軍工電源中應用的。軍工設備嚴酷的工作條件,對鐵心的性能要求十分苛刻。例如,對于航空航天裝備中的開關電源,對變壓器鐵心機械穩定性的要求一般是:

            耐機械沖擊性:加速度55g,持續時間8ms,沖擊3次,要求損耗變化率 DP/P≤±15%。 
            耐機械振動:頻率20-500Hz,加速度5g,掃描45分鐘,兩個方向,要求損耗變化率 DP/P≤±15%。 
            離心試驗:恒加速度15g,5分鐘,要求損耗變化率 DP/P≤±15%。
            根據上述要求,曾經對非晶態合金作了一系列機械穩定性試驗。 
            經過一系列機械沖擊和振動等試驗,非晶鐵心的磁性能變化率相當低,完全滿足使用要求。
            總之,非晶態合金的機械穩定性良好。目前,在非晶中心的產品中,每年用于軍工電源的鐵心在一萬只以上。既然它們可以穩定地應用于軍工電源,那么在使用條件相對溫和的民品中理所當然也是可以勝任的。
            1.5.2規模生產問題
            目前,國內非晶軟磁合金生產企業中多數企業程度不同地存在批量產品質量不夠穩定、產品一致性差、性能指標離散較大的問題,其主要原因是有的生產廠家技術裝備差、生產工序不全,檢測手段落后,綜合研發實力不強。作為新興的產業,其發展和進步必然有一個動態過程。
            2、非晶軟磁合金材料產業發展歷程和現狀
            2.1發展歷程
            第一階段,1967年~1988年:1967年Duwez教授率先開發出Fe-P-C系非晶軟磁合金,帶動了第一個非晶合金研究開發熱潮。1979年美國Allied Signal公司開發出非晶合金寬帶的平面流鑄帶技術,并于1982年建成非晶帶材連續生產廠,先后推出命名為Metglas的Fe基、Co基和FeNi基系列非晶合金帶材,標志著非晶合金產業化和商品化的開始。1984年美國四個變壓器廠家在IEEE會議上展示了實用的非晶配電變壓器,從而將非晶合金應用開發推向高潮。在這期間,美國主要致力于非晶合金帶材的大規模生產和節能非晶配電變壓器的推廣應用,在技術和產品方面基本形成壟斷。到1989年,美國Allied      Signal公司已經具有年產6萬噸非晶帶材的生產能力,全世界約有100萬臺非晶配電變壓器投入運行,所用鐵基非晶帶材幾乎全部來源于該公司。除美國之外,日本和德國在非晶合金應用開發方面擁有自己的特色,重點是電子和電力電子元件,例如高級音響磁頭、高頻電源(含開關電源)用變壓器、扼流圈、磁放大器等。但在1988年以前,由于專利問題,日本的非晶發展始終受到美國的制約。
            第二階段,1988年~至今:1988年日本日立金屬公司的Yashizawa等人在非晶合金基礎上通過晶化處理開發出納米晶軟磁合金(Finemet)。此類合金的突出優點在于兼備了鐵基非晶合金的高磁感和鈷基非晶合金的高磁導率、低損耗,并且是成本低廉的鐵基材料。因此鐵基納米晶合金的發明是軟磁材料

        的一個突破性進展,從而把非晶態合金研究開發又推向一個新高潮。納米晶合金可以替代鈷基非晶合金、晶態坡莫合金和鐵氧體,在高頻電力電子和電子信息領域中獲得廣泛應用,達到減小體積、降低成本等目的。1988年當年,日立金屬公司納米晶合金既實現了產業化,并有產品推向市場。1992年德國VAC公司開始推出納米晶合金替代鈷基非晶合金,尤其在網絡接口設備上,如ISDN,大量采用納米晶磁心制作接口變壓器和數字濾波器件。在此期間,美國Allied Signal公司(現被Honeywell公司兼并)也加強了非晶合金在電力電子領域的推廣應用,先后推出4個系列的鐵心制品。
            2.2國內研究開發現狀
            國內非晶材料研究始于1976年,國家科委從“六五”開始連續5個五年計劃均將非晶、納米晶合金研究開發和產業化列入重大科技攻關項目。其中標志性的成果分別是:“七五”期間建成百噸級非晶帶材中試生產線,帶材寬度達到100mm;“八五”期間突破了非晶帶材在線自動卷取技術,并建成年產20萬只非晶鐵心中試生產線;“九五”期間,成立了國家非晶微晶合金工程技術研究中心,建成了千噸級鐵基非晶帶材生產線,帶材寬度達到220mm,同時建成年產600噸非晶配電變壓器鐵心生產線。通過前4個五年科技攻關計劃的實施,我國基本實現了非晶合金帶材及制品產業化。在十五期間,納米晶帶材及其制品產業化開發又被列入重大科技攻關計劃,國家給予重點支持,旨在推動納米晶材料應用開發快速發展,滿足電力電子和電子信息等高新技術領域日益增長的迫切需求。目前,國內從事非晶軟磁合金材料生產的單位約20多家,其中安泰科技股份有限公司(原鋼鐵研究總院部分轉制上市)是國內非晶材料研究開發力量最強、產業規模最大的單位,也是上述國家科技攻關項目的主要承擔單位。目前具有年產非晶帶材3000噸,納米晶帶材300噸的生產能力。
            通過這4個五年科技攻關計劃的實施,我國基本實現了非晶合金帶材及制品產業化。在十五期間,納米晶帶材及其制品產業化開發仍然被列入國家重大科技攻關計劃,給予重點支持,旨在推動非晶納米晶材料應用開發快速發展,滿足電力電子和電子信息等高新技術領域日益增長的迫切需求。
            目前,非晶軟磁合金所達到的最好單項性能水平為:
            初始磁導率 μ0 = 14 ×104 鈷基非晶 
            最大磁導率 μm = 220 ×104 鈷基非晶 
            矯頑力 Hc = 0.001 Oe 鈷基非晶 
            矩形比 Br/Bs = 0.995 鈷基非晶 
            飽和磁化強度 4πMs = 18300 Gs 鐵基非晶 
            電阻率 ρ= 270 微歐厘米
            與美、日、德相比,我國非晶合金帶材的產業規模與日本和德國相當,但遠小于美國。在工藝技術和產品質量方面與上述國家差距很大。尤其對納米晶合金來說,國內現有制帶設備尚無法批量生產厚度小于20μm的超薄帶。因此,嚴重制約了國內非晶、納米晶合金在高頻電力電子領域的推廣應用。
            2.3當前普及應用的難點
            由于國內廠商帶材和變壓器的生產沒有形成規模,導致非晶材料和非晶變壓器的成本較高,同等規格下非晶變壓器的售價為S9的1.5倍,用戶大約要7-8年才能通過節省的能耗收回初期增加的投資,雖然國家出臺有關非晶變壓器生產和使用者稅收優惠的政策,但使用者積極性仍然不高,只有在非晶變壓器的售價為S9的1.3倍(非晶鐵心價格降為30元/公斤左右),用戶大約要3-4年通過節省的能耗收回初期增加的投資,用戶會有較強的積極性。因此如何協調非晶帶材、鐵心的生產者同變壓器生產者以及變壓器使用者三者之間的關系是非晶材料是否能大量應用的關鍵。目前的應用多偏向于一些特殊要求的場合,如上述問題能得到很好的解決,非晶材料和非晶變壓器的市場規模會迅速增長。
            3非晶軟磁合金材料的市場前景和發展方向
            3.1不斷擴展的應用市場
            非晶態合金的應用首先是在八十年代初期,在軍工電源上開始的。軍工電源嚴酷的工作條件是對非晶鐵心磁性能穩定性的極大考驗。在過去的二十年中,非晶鐵心已經應用在多種軍工裝備,如火箭、機載雷達、水雷、坦克等電源,使用非晶鐵心的就更多。隨著市場經濟的發展,非晶態合金的應用領域逐漸擴展到廣大的民用產品。目前民品是非晶中心最主要的產品,應用場合主要包括:互感器鐵心、大功率逆變電源變壓器和電抗器鐵心、各種形式的開關電源變壓器和電感鐵心、各種傳感器鐵心等。
            非晶和微晶合金在近十年來發展迅速,不但在材料和工藝,而且在應用方面都取得了很大的進步。
            在低頻電磁元件中,鐵基非晶合金被大量應用,在電力配電變壓器中的應用已取得良好效果,成為現在生產量最大的非晶合金??梢韵螂娫粗械恼髯儔浩?,濾波電抗器等電磁元件擴展。1990年開發出的FeMB(M為Zr、Hf、Ta)和FeZrNbBCu微晶合金(Nanoperm合金),不但工頻損耗低,而且飽和磁密高,磁致伸縮系數也小,是工頻電磁元件用軟磁材料中性能比較理想的,在低頻領域可以代替硅鋼和鐵基合金,在中、高頻領域可以代替鈷基非晶合金和鐵鎳高導磁合金。1998年開發出FeCoZrBCu非晶合金(商品名Hitperm),飽和磁通密度Bs高達2.0T,可以代替FeCoV系高導磁合金,是低頻電磁元件用軟磁材料的最新進展。
            中、高頻領域首選的非晶和微晶合金是鈷基非晶合金和鐵基微晶合金。一般(18~25)μm厚的帶材,用于100kHz,小于18μm厚的薄帶,用于500kHz~1MHz。鈷基非晶合金20μm厚的薄帶,P0.2T/100kHz只有30W/kg?,F在見到報導最好的3.8μm厚滲鉻的CoFeCrSiB非晶合金薄帶,P0.1T/1MHz為140W/kg,P0.1T/10MHz為1022W/kg,μe(1MHz)為1×104。
            非晶、納米晶合金的應用領域非常廣泛,表2列出了非晶納米晶合金帶材的典型性能和一些主要應用。
            在電力領域,非晶、納米晶合金均得到大量應用。由于非晶合金的工頻鐵損僅為硅鋼的1/5-1/3,利用非晶合金取代硅鋼可使配電變壓器的空載損耗降低60%-70%。因此,非晶配電變壓器作為換代產品有很好的應用前景。在“九五”期間,我國自行建成了年生產能力1000噸的非晶帶材生產線及相應的年產600噸非晶配電變壓器鐵心生產線,這為在我國大力推廣節能型非晶配電變壓器奠定了良好基礎。納米晶合金的最大應用是電力互感器鐵心。電力互感器是專門測量輸變電線路上電流和電能的特種變壓器。
            近年來高精度等級(如0.2級、0.2S級、0.5S級)的互感器需求量迅速增加。傳統的冷軋硅鋼片鐵心往往達不到精度要求,雖然高磁導率玻莫合金可以滿足精度要求,但價格高。而采用納米晶鐵心不但可以達到精度要求、而且價格低于玻莫合金。
            從目前國內外應用以及今后發展來看,非晶合金的大量使用還是在電力系統:
            a、配電變壓器鐵心。鐵基非晶合金鐵心具有高飽和磁感應強度、低矯頑力、低損耗(相當于硅鋼片的1/3~1/5)、低激磁電流、良好的溫度穩定性,使非晶合金變壓器運行過程中的空載損失遠低于硅鋼變壓器。這種情況尤其適用于空載時間長、用電效率低的農村電網。美國通過使用這種變壓器每年可節約近50×109KWH的空載損耗,節能產生的經濟效益約為35億美元。
            b、電力互感器鐵心。在變電站使用大量的電力互感器,它們對鐵心材料的要求非??量?,不僅要求高的磁性指標(如高導磁率、高飽和磁感、低損耗等),而且要求鐵心材料的整個磁化曲線滿足一定的條件,以保證互感器在整個測量范圍內的精度。近年來,非晶微晶合金作為互感器鐵心的應用逐漸廣泛起來,取得了非常理想的效果。
            c、開關電源變壓器及電感鐵心。傳統的電源都是在50赫茲(稱為工頻)下將交流電變換成直流電的。由于工作頻率低,變壓器的體積大、能耗高、效率低。開關電源是自20世紀70年代發展起來的新型電源技術,它采用20千赫茲以上的工作頻率,大大縮小了變壓器的體積、減輕了重量、提高了效率。在開關電源中使用非晶微晶合金作為鐵心的元器件有:主變壓器、控制變壓器、共模電感、噪聲濾波器、濾波電感、儲能電感、電抗器、磁放大器、尖峰抑制器、飽和電感、脈沖壓縮器、開關管保護電感等。
            d、漏電開關互感器鐵心。漏電開關是安裝在電器前面,用來保護電器和人的用電安全的裝置。當由于設備絕緣不良或者人體觸電時,會在互感器的次級線圈中感應出信號,經過處理后使得電閘跳開,切斷電路,保護電器或人身的安全。過去一般采用坡莫合金(鐵鎳合金)作為這種互感器鐵心。自從八十年代以來,非晶合金開始作為漏電開關中的互感器鐵心,國內目前用量極大。
            在電力電子領域,隨著高頻逆變技術的成熟,傳統大功率線性電源開始大量被高頻開關電源所取代,而且為了提高效率,減小體積,開關電源的工作頻率越來越高,這就對其中的軟磁材料提出了更高的要求。硅鋼高頻損耗太大,已不能滿足使用要求;鐵氧體雖然高頻損耗較低,但在大功率條件下仍然存在很多問題,一是飽和磁感低,無法減小變壓器的體積;二是居里溫度低,熱穩定性差;三是制作大尺寸鐵心成品率低,成本高。目前采用功率鐵氧體的單個變壓器的轉換功率不超過20kW。納米晶軟磁合金同時具有高飽和磁感和很低的高頻損耗,且熱穩定性好,是大功率開關電源用軟磁材料的最佳選擇。采用納米晶鐵心的變壓器的轉換功率可達500kW,體積比功率鐵氧體變壓器減少50%以上。目前在逆變焊機電源中納米晶合金已經獲得廣泛應用,在通訊、電動交通工具、電解電鍍等領域用開關電源中的應用正在積極開發之中。
            在電子防竊系統中,早期利用鈷基非晶窄帶的諧波式防盜標簽在圖書館中獲得了大量應用。最近利用鐵鎳基非晶帶材的聲磁式防盜標簽克服了諧波式防盜標簽誤報警率高、檢測區窄等缺點,應用市場已經擴展到超級市場??梢灶A見,隨開放式服務方式的發展,作為防盜防偽的非晶合金帶材和絲材的應用會急劇增長。
            在電子信息領域,隨著計算機、網絡和通訊技術的迅速發展,對小尺寸、輕重量、高可靠性和低噪音的開關電源和網絡接口設備的需求日益增長、要求越來越高。例如,為了減小體積,計算機開關電源的工作頻率已經從20kHz提高到500kHz;為了實現CPU的低電壓大電流供電方式,采用磁放大器穩定輸出電壓;為了消除各種噪音,采用抑制線路自生干擾的尖峰抑制器,以及抑制傳導干擾的共模和差模扼流圈。因此,在開關電源和接口設備中增加了大量高頻磁性器件。非晶、納米晶合金在此大有用武之地。
            在民用產品中,變頻技術有利于節約電能、并減小體積和重量,正在大量普及。但負面效應不可忽視,如果變頻器中缺少必要的抑制干擾環節,會有大量高次諧波注入電網,使電網總功率因素下降。減少電網污染最有效的辦法之一是在變頻器中加入功率因數校正(PFC)環節,其中關鍵部件是高頻損耗低、飽和磁感大的電感鐵心。鐵基非晶合金在此類應用中有明顯優勢,將在變頻家電綠色化方面發揮重要作用。目前在變頻空調中使用非晶PFC電感已經成為一個熱點。
            目前在以下幾個方面還存在推廣應用市場:
            a、替代極薄硅鋼產品,從上海鋼研所極薄硅鋼產品的市場需求知道,極薄硅鋼(厚度<0.1mm)在20世紀70年代大量用于400Hz以上各種電子元件如高頻變壓器、電抗器、磁屏蔽等,目前這方面的市場需求較大,但供方難以滿足需要,用非晶納米晶合金材料替代,不僅可以提高產品性能、質量和促使小型化,而且價格上也有利可圖。
            b、高磁導率和大功率磁心器件,由于國內鐵氧體生產設備和技術條件的限制,高磁導率、高性能、大功率鐵氧體難以滿足國內市場需求,如采用非晶納米晶材料取而代之,可以促使一些電子設備國產化、小型化。
            c、工作環境溫度高和環境惡劣等的一些電子產品,如油田鉆探、海洋探測等特殊環境使用的電子產品用的各種磁性器件,選用非晶納米晶合金材料制作,可以物盡其用,避免選材上的困擾。
            d、航空、航天等軍工產品用的各種磁性器件需要小而輕、溫度穩定性好、磁性要求高,使用非晶納米晶合金材料遠優于其他軟磁材料。
            e、高頻、大電流、大功率電源變壓器、電抗器、濾波器等器件的小型化,目前這些器件大都采用鐵氧體或冷軋硅鋼,工作頻率f=20kHz,工作磁感B=0.2T~0.3T,如采用非晶納米晶合金磁心,可將工作頻率提高到f=40kHz~50kHz,工作磁感B=0.5T~0.6T,可以大大減小磁心器件的體積和尺寸。
            f、各種抗EMI器件、噪聲抑制器和尖峰抑制器。
            總之,非晶、納米晶合金不僅軟磁性能優異,而且工藝簡單、成本低廉,正在成為一類十分重要的、具有市場競爭優勢的基礎功能材料??梢灶A見,非晶、納米晶材料對我國傳統產業改造和高新技術快速發展將發揮越來越重要的作用。
            3.2未來發展方向
            在非晶合金的產業化發展過程中,非晶納米晶合金帶材及其鐵心制品一直是主流,非晶絲材的研究開發和產業化是重要分支。1980年,日本Hagiwara首先提出采用內圓水紡法制備非晶合金絲材,隨后日本的Unitika公司開始利用此法商業生產Fe基和Co基非晶絲,作為產業化的磁性材料,應用重點集中在圖書館和超市用防盜標簽。此外,利用非晶絲材各種獨特的物理效應開發各類高性能傳感器一直受到特別關注。尤其最近在鈷基非晶絲材中發現巨磁阻抗效應以來,高精度磁敏傳感器的開發成為熱點。
            1999年日本科學技術振興事業團委托名古屋大學和愛知鋼鐵公司聯合開發MI微型磁傳感器和專用集成電路心片,目標是將非晶絲MI傳感器用于高速公路汽車自動導航和安全監測系統。隨著納米科學技術和快淬技術的迅速發展,非晶納米晶軟磁合金材料也在不斷進步,不僅現已產業化的薄帶產品性能和質量大大提高,而且還在研制開發非晶納米晶合金粉末及粉末制品、薄膜材料、復合材料等,這些新型納米材料的研制開發及產業化將對電子變壓器行業產生極大的潛在影響。



        衡陽市金則利特種合金股份有限公司成立于1999年,公司主營電磁不銹鋼,為湖南省高新技術企業。公司自成立以來,即致力于電磁不銹鋼的研發。公司已具備年產電磁不銹鋼1萬噸的生產能力。

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