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1、非晶軟磁合金材料及其應(yīng)用
    1.1 非晶軟磁合金材料及其形成機(jī)理
    我們根據(jù)原子排列方式把物質(zhì)劃分為晶體和非晶體兩類。物質(zhì)里面的原子排列是整齊有序的叫做晶體;物質(zhì)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(shí)，原子總是從液體的混亂排列轉(zhuǎn)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_(dá)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(jié)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(zhì)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(dá)一億度以上的冷卻速度才能形成非晶態(tài)。受目前工藝水平的限制，實(shí)際生產(chǎn)中難以達(dá)到如此高的冷卻速度，普通的單一的金屬難以從生產(chǎn)上制成非晶。為了獲得非晶態(tài)的金屬，一般將金屬與其它物質(zhì)混合。當(dāng)原子尺寸和性質(zhì)不同的幾種物質(zhì)搭配混合后，就形成了合金。這些合金具有兩個(gè)重要性質(zhì)：①合金的成分一般在冶金學(xué)上的所謂“共晶”點(diǎn)附近，它們的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于純金屬，例如FeSiB合金的熔點(diǎn)一般為1200度以下，而純鐵的熔點(diǎn)為1538度；②由于原子的種類多了，合金在液體時(shí)它們的原子更加難以移動(dòng)，在冷卻時(shí)更加難以整齊排列，也就是說更加容易被“凍結(jié)”成非晶。有了上面的兩個(gè)重要條件，合金才可能比較容易地形成非晶。實(shí)際上，目前所有的實(shí)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，F(xiàn)eNiPB，CoZr，ZrTiCuNi等。
    迄今為止，國(guó)內(nèi)外非晶合金開發(fā)最多的是作為軟磁材料的一類。它們?cè)诨瘜W(xué)成分上的一個(gè)共同點(diǎn)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(chǎn)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(diǎn)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(diǎn)是磁性強(qiáng)（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)1.4-1.7T）、磁導(dǎo)率、激磁電流和鐵損等軟磁性能優(yōu)于硅鋼片，價(jià)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(yīng)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(yīng)強(qiáng)度大約為1T以下），價(jià)格較貴，但磁導(dǎo)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(guān)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(shí)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(jià)格很貴，磁性較弱（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在1T以下），但磁導(dǎo)率極高，一般用在要求嚴(yán)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(jié)構(gòu)，使得非晶合金具有一些獨(dú)特的性質(zhì)。所以，以前的非晶合金在使用時(shí)，必須保證它們處于非晶態(tài)。一般的非晶合金存在著發(fā)生晶化的可能性，一旦在晶化溫度以上退火，材料內(nèi)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(shí)非晶合金原有的磁性能就會(huì)喪失。因此，一般的非晶合金都要在非晶狀態(tài)下使用。但是，自從八十年代末，日本的吉澤克仁等發(fā)現(xiàn)，含有Cu和Nb的鐵基非晶合金在晶化溫度以上退火時(shí)，會(huì)形成非常細(xì)小的晶粒組織，晶粒尺寸僅有10－20納米。這時(shí)材料磁性能不僅不惡化，反而非常優(yōu)良。這種非晶合金經(jīng)過特殊的晶化退火而形成的晶態(tài)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(jié)構(gòu)必不可少的元素。它們首先被制成非晶帶材，然后經(jīng)過適當(dāng)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(yè)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(chǎn)品。
    1.3 非晶軟磁合金材料的優(yōu)點(diǎn)
    1.3.1優(yōu)良的磁性
    與傳統(tǒng)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(dǎo)磁率、低的損耗，是優(yōu)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(shí)際上是迄今為止非晶合金最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。
    1.3.2高強(qiáng)韌性
    明顯高于傳統(tǒng)的鋼鐵材料，可以作復(fù)合增強(qiáng)材料，如釣魚桿等。國(guó)外已經(jīng)把塊狀非晶合金應(yīng)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(jié)構(gòu)零件中，起強(qiáng)化作用。另外，非晶合金具有優(yōu)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(xué)成分范圍，而且即使同一種材料，通過不同的后續(xù)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(jiǎn)單，節(jié)能、環(huán)保
    傳統(tǒng)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(huán)節(jié)、數(shù)十道工序。由于環(huán)節(jié)多，工藝繁雜，傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)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(jiǎn)化，節(jié)約了大量寶貴的能源，同時(shí)無污染物排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)非常有利。正是由于非晶合金制造過程節(jié)能，同時(shí)它的磁性能優(yōu)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(jì)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(yīng)用領(lǐng)域
    由于非晶軟磁合金具有優(yōu)良的電磁性能，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊。
    1.4.1電力電子技術(shù)領(lǐng)域：
    大功率中、高頻變壓器 
    逆變電源變壓器 
    大功率開關(guān)電源變壓器
    1.4.2通訊技術(shù)：
    程控交換機(jī)電源 
    數(shù)據(jù)交換接口部件 
    脈沖變壓器 
    UPS電源濾波和存儲(chǔ)電源、功率因素校正扼流圈、標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(guān)互感器 
    防盜感應(yīng)標(biāo)簽
    1.5有關(guān)非晶軟磁合金材料的幾個(gè)問題
    1.5.1 材料穩(wěn)定性
    1.5.1.1溫度穩(wěn)定性(指非晶態(tài)合金的磁性能隨使用溫度的變化)：
    常用的磁性材料，當(dāng)溫度升高時(shí)，其飽和磁通密度都是下降的。當(dāng)溫度高于一定值時(shí)，材料變成順磁性的，原有磁性能喪失，無法繼續(xù)使用。這個(gè)溫度稱為磁性材料的居里溫度（或居里點(diǎn)）。居里點(diǎn)越高，表明材料可能的使用溫度越高，即材料的溫度穩(wěn)定性越好。
    對(duì)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(diǎn)都是最低的；硅鋼的居里點(diǎn)最高，可惜只能在低頻使用；坡莫合金的居里點(diǎn)較高，飽和磁通密度中等，同時(shí)能在20kHz以上使用，但價(jià)格高；而不同的非晶態(tài)合金具有不同的飽和磁通密度和居里點(diǎn)，分別可以應(yīng)用于高頻和低頻，同時(shí)價(jià)格也低于相應(yīng)的其它材料。因此，可以說非晶態(tài)合金作為變壓器鐵心使用是非常理想的。
    除了居里點(diǎn)以外，非晶態(tài)合金的晶化溫度也是衡量材料溫度穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)。由于非晶態(tài)合金在高溫下會(huì)發(fā)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(tài)合金的晶化溫度的高低是足以應(yīng)付幾乎所有使用條件的。通常，非晶態(tài)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(tài)合金的溫度穩(wěn)定性對(duì)于某些應(yīng)用是至關(guān)重要的，因此，在非晶態(tài)合金的研究開發(fā)過程中，溫度穩(wěn)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(yán)格的溫度穩(wěn)定性要求。
    通常情況下，非晶態(tài)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(wěn)定性相當(dāng)好，通常作為軍工產(chǎn)品使用。對(duì)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(shí)際工作溫度總是高于室溫，這種變化實(shí)際上是有利的。
    綜上所述，非晶態(tài)合金的溫度穩(wěn)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(shí)效穩(wěn)定性（指在一定溫度下，非晶態(tài)合金的磁性能隨時(shí)間的變化）：
    對(duì)于大多數(shù)變壓器鐵心來說，其使用時(shí)間往往較長(zhǎng)。由于非晶態(tài)合金處于亞穩(wěn)態(tài)，在一定條件下有晶化的趨勢(shì)。這使人們擔(dān)心，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，非晶合金的磁性能會(huì)不會(huì)由于晶化而喪失。為了驗(yàn)證非晶態(tài)合金經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)不會(huì)失效，最直接的方法莫過于將非晶態(tài)合金鐵心在實(shí)際使用條件下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，觀察磁性能的變化。美國(guó)自八十年代就已經(jīng)開始非晶態(tài)合金的生產(chǎn)，并大量應(yīng)用于配電變壓器鐵心。根據(jù)大量報(bào)道，這些變壓器一直在正常運(yùn)行，表明非晶鐵心的時(shí)效穩(wěn)定性是可靠的。我國(guó)自八十年代起將非晶態(tài)合金應(yīng)用于開關(guān)電源、中頻變壓器及漏電保護(hù)開關(guān)等多種場(chǎng)合，至今沒有因?yàn)殍F心性能惡化導(dǎo)致變壓器失效的例子，這充分證明我國(guó)的非晶態(tài)合金在時(shí)效穩(wěn)定性方面是安全的。
    但是，對(duì)于眾多的非晶態(tài)合金來說，都進(jìn)行模擬實(shí)際應(yīng)用的長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)顯然是不現(xiàn)實(shí)的。正如前面所述， 非晶態(tài)合金在一定溫度下有發(fā)生晶化的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)隨著溫度的降低是呈指數(shù)規(guī)律迅速遞減的。根據(jù)這種規(guī)律，我們通常利用高溫短時(shí)間的時(shí)效試驗(yàn)代替低溫長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)，用以說明材料的時(shí)效穩(wěn)定性。對(duì)于常見的非晶軟磁合金，最常用的試驗(yàn)條件為：時(shí)效溫度130℃，時(shí)效時(shí)間200小時(shí)。
    從試驗(yàn)結(jié)果來看，非晶態(tài)合金的高溫時(shí)效穩(wěn)定性是非常好的。一般認(rèn)為，非晶態(tài)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(dá)到150℃。
    1.5.1.3磁沖擊穩(wěn)定性（非晶納米晶鐵心經(jīng)過強(qiáng)磁場(chǎng)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(shí)會(huì)受到來自電源內(nèi)部或外部的強(qiáng)磁場(chǎng)沖擊。在強(qiáng)磁場(chǎng)沖擊后，鐵心保持原有性能是非常關(guān)鍵的。否則，鐵心性能的惡化會(huì)降低電源效率，嚴(yán)重的甚至造成鐵心工作點(diǎn)偏移，使鐵心飽和，損壞開關(guān)管。為了研究非晶態(tài)合金的磁沖擊穩(wěn)定性，曾經(jīng)對(duì)不同材料的鐵心進(jìn)行了一系列磁沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果充分表明，非晶態(tài)合金經(jīng)過適當(dāng)處理后，磁性能完全可以經(jīng)受強(qiáng)磁場(chǎng)的沖擊而基本復(fù)原。
    1.5.1.4機(jī)械穩(wěn)定性（指非晶態(tài)合金經(jīng)過機(jī)械沖擊振動(dòng)后磁性能的變化）：
    非晶態(tài)合金在使用前，一般都要經(jīng)過熱處理。而經(jīng)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(shí)，大多數(shù)要放在保護(hù)盒中或表面注塑后使用。對(duì)于非晶態(tài)合金，在鐵心裝入保護(hù)盒時(shí)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(fā)生損壞和磁性能惡化。
    在非晶態(tài)合金研究開發(fā)的初期，首先是在軍工電源中應(yīng)用的。軍工設(shè)備嚴(yán)酷的工作條件，對(duì)鐵心的性能要求十分苛刻。例如，對(duì)于航空航天裝備中的開關(guān)電源，對(duì)變壓器鐵心機(jī)械穩(wěn)定性的要求一般是：

    耐機(jī)械沖擊性：加速度55g，持續(xù)時(shí)間8ms，沖擊3次，要求損耗變化率 DP/P≤±15%。 
    耐機(jī)械振動(dòng)：頻率20－500Hz，加速度5g，掃描45分鐘，兩個(gè)方向，要求損耗變化率 DP/P≤±15%。 
    離心試驗(yàn)：恒加速度15g，5分鐘，要求損耗變化率 DP/P≤±15%。
    根據(jù)上述要求，曾經(jīng)對(duì)非晶態(tài)合金作了一系列機(jī)械穩(wěn)定性試驗(yàn)。 
    經(jīng)過一系列機(jī)械沖擊和振動(dòng)等試驗(yàn)，非晶鐵心的磁性能變化率相當(dāng)?shù)停耆珴M足使用要求。
    總之，非晶態(tài)合金的機(jī)械穩(wěn)定性良好。目前，在非晶中心的產(chǎn)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(wěn)定地應(yīng)用于軍工電源，那么在使用條件相對(duì)溫和的民品中理所當(dāng)然也是可以勝任的。
    1.5.2規(guī)模生產(chǎn)問題
    目前，國(guó)內(nèi)非晶軟磁合金生產(chǎn)企業(yè)中多數(shù)企業(yè)程度不同地存在批量產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定、產(chǎn)品一致性差、性能指標(biāo)離散較大的問題，其主要原因是有的生產(chǎn)廠家技術(shù)裝備差、生產(chǎn)工序不全，檢測(cè)手段落后，綜合研發(fā)實(shí)力不強(qiáng)。作為新興的產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展和進(jìn)步必然有一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。
    2、非晶軟磁合金材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程和現(xiàn)狀
    2.1發(fā)展歷程
    第一階段，1967年～1988年：1967年Duwez教授率先開發(fā)出Fe-P-C系非晶軟磁合金，帶動(dòng)了第一個(gè)非晶合金研究開發(fā)熱潮。1979年美國(guó)Allied Signal公司開發(fā)出非晶合金寬帶的平面流鑄帶技術(shù)，并于1982年建成非晶帶材連續(xù)生產(chǎn)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(biāo)志著非晶合金產(chǎn)業(yè)化和商品化的開始。1984年美國(guó)四個(gè)變壓器廠家在IEEE會(huì)議上展示了實(shí)用的非晶配電變壓器，從而將非晶合金應(yīng)用開發(fā)推向高潮。在這期間，美國(guó)主要致力于非晶合金帶材的大規(guī)模生產(chǎn)和節(jié)能非晶配電變壓器的推廣應(yīng)用，在技術(shù)和產(chǎn)品方面基本形成壟斷。到1989年，美國(guó)Allied      Signal公司已經(jīng)具有年產(chǎn)6萬噸非晶帶材的生產(chǎn)能力，全世界約有100萬臺(tái)非晶配電變壓器投入運(yùn)行，所用鐵基非晶帶材幾乎全部來源于該公司。除美國(guó)之外，日本和德國(guó)在非晶合金應(yīng)用開發(fā)方面擁有自己的特色，重點(diǎn)是電子和電力電子元件，例如高級(jí)音響磁頭、高頻電源（含開關(guān)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(fā)展始終受到美國(guó)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(chǔ)上通過晶化處理開發(fā)出納米晶軟磁合金（Finemet）。此類合金的突出優(yōu)點(diǎn)在于兼?zhèn)淞髓F基非晶合金的高磁感和鈷基非晶合金的高磁導(dǎo)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(fā)明是軟磁材料

的一個(gè)突破性進(jìn)展，從而把非晶態(tài)合金研究開發(fā)又推向一個(gè)新高潮。納米晶合金可以替代鈷基非晶合金、晶態(tài)坡莫合金和鐵氧體，在高頻電力電子和電子信息領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用，達(dá)到減小體積、降低成本等目的。1988年當(dāng)年，日立金屬公司納米晶合金既實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，并有產(chǎn)品推向市場(chǎng)。1992年德國(guó)VAC公司開始推出納米晶合金替代鈷基非晶合金，尤其在網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備上，如ISDN，大量采用納米晶磁心制作接口變壓器和數(shù)字濾波器件。在此期間，美國(guó)Allied Signal公司（現(xiàn)被Honeywell公司兼并）也加強(qiáng)了非晶合金在電力電子領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，先后推出4個(gè)系列的鐵心制品。
    2.2國(guó)內(nèi)研究開發(fā)現(xiàn)狀
    國(guó)內(nèi)非晶材料研究始于1976年，國(guó)家科委從“六五”開始連續(xù)5個(gè)五年計(jì)劃均將非晶、納米晶合金研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化列入重大科技攻關(guān)項(xiàng)目。其中標(biāo)志性的成果分別是：“七五”期間建成百噸級(jí)非晶帶材中試生產(chǎn)線，帶材寬度達(dá)到100mm；“八五”期間突破了非晶帶材在線自動(dòng)卷取技術(shù)，并建成年產(chǎn)20萬只非晶鐵心中試生產(chǎn)線；“九五”期間，成立了國(guó)家非晶微晶合金工程技術(shù)研究中心，建成了千噸級(jí)鐵基非晶帶材生產(chǎn)線，帶材寬度達(dá)到220mm，同時(shí)建成年產(chǎn)600噸非晶配電變壓器鐵心生產(chǎn)線。通過前4個(gè)五年科技攻關(guān)計(jì)劃的實(shí)施，我國(guó)基本實(shí)現(xiàn)了非晶合金帶材及制品產(chǎn)業(yè)化。在十五期間，納米晶帶材及其制品產(chǎn)業(yè)化開發(fā)又被列入重大科技攻關(guān)計(jì)劃，國(guó)家給予重點(diǎn)支持，旨在推動(dòng)納米晶材料應(yīng)用開發(fā)快速發(fā)展，滿足電力電子和電子信息等高新技術(shù)領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的迫切需求。目前,國(guó)內(nèi)從事非晶軟磁合金材料生產(chǎn)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(zhuǎn)制上市）是國(guó)內(nèi)非晶材料研究開發(fā)力量最強(qiáng)、產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的單位，也是上述國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目的主要承擔(dān)單位。目前具有年產(chǎn)非晶帶材3000噸，納米晶帶材300噸的生產(chǎn)能力。
    通過這４個(gè)五年科技攻關(guān)計(jì)劃的實(shí)施，我國(guó)基本實(shí)現(xiàn)了非晶合金帶材及制品產(chǎn)業(yè)化。在十五期間，納米晶帶材及其制品產(chǎn)業(yè)化開發(fā)仍然被列入國(guó)家重大科技攻關(guān)計(jì)劃，給予重點(diǎn)支持，旨在推動(dòng)非晶納米晶材料應(yīng)用開發(fā)快速發(fā)展，滿足電力電子和電子信息等高新技術(shù)領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的迫切需求。
    目前，非晶軟磁合金所達(dá)到的最好單項(xiàng)性能水平為：
    初始磁導(dǎo)率 μ0 = 14 ×104 鈷基非晶 
    最大磁導(dǎo)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(qiáng)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(guó)非晶合金帶材的產(chǎn)業(yè)規(guī)模與日本和德國(guó)相當(dāng)，但遠(yuǎn)小于美國(guó)。在工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量方面與上述國(guó)家差距很大。尤其對(duì)納米晶合金來說，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有制帶設(shè)備尚無法批量生產(chǎn)厚度小于20μm的超薄帶。因此，嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)非晶、納米晶合金在高頻電力電子領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。
    2.3當(dāng)前普及應(yīng)用的難點(diǎn)
    由于國(guó)內(nèi)廠商帶材和變壓器的生產(chǎn)沒有形成規(guī)模，導(dǎo)致非晶材料和非晶變壓器的成本較高，同等規(guī)格下非晶變壓器的售價(jià)為S9的1.5倍，用戶大約要7-8年才能通過節(jié)省的能耗收回初期增加的投資，雖然國(guó)家出臺(tái)有關(guān)非晶變壓器生產(chǎn)和使用者稅收優(yōu)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(jià)為S9的1.3倍（非晶鐵心價(jià)格降為30元/公斤左右），用戶大約要3-4年通過節(jié)省的能耗收回初期增加的投資，用戶會(huì)有較強(qiáng)的積極性。因此如何協(xié)調(diào)非晶帶材、鐵心的生產(chǎn)者同變壓器生產(chǎn)者以及變壓器使用者三者之間的關(guān)系是非晶材料是否能大量應(yīng)用的關(guān)鍵。目前的應(yīng)用多偏向于一些特殊要求的場(chǎng)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(chǎng)規(guī)模會(huì)迅速增長(zhǎng)。
    3非晶軟磁合金材料的市場(chǎng)前景和發(fā)展方向
    3.1不斷擴(kuò)展的應(yīng)用市場(chǎng)
    非晶態(tài)合金的應(yīng)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(yán)酷的工作條件是對(duì)非晶鐵心磁性能穩(wěn)定性的極大考驗(yàn)。在過去的二十年中，非晶鐵心已經(jīng)應(yīng)用在多種軍工裝備，如火箭、機(jī)載雷達(dá)、水雷、坦克等電源，使用非晶鐵心的就更多。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，非晶態(tài)合金的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到廣大的民用產(chǎn)品。目前民品是非晶中心最主要的產(chǎn)品，應(yīng)用場(chǎng)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(guān)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(fā)展迅速，不但在材料和工藝，而且在應(yīng)用方面都取得了很大的進(jìn)步。
    在低頻電磁元件中，鐵基非晶合金被大量應(yīng)用，在電力配電變壓器中的應(yīng)用已取得良好效果，成為現(xiàn)在生產(chǎn)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(kuò)展。1990年開發(fā)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(shù)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(lǐng)域可以代替硅鋼和鐵基合金，在中、高頻領(lǐng)域可以代替鈷基非晶合金和鐵鎳高導(dǎo)磁合金。1998年開發(fā)出FeCoZrBCu非晶合金（商品名Hitperm），飽和磁通密度Bs高達(dá)2.0T，可以代替FeCoV系高導(dǎo)磁合金，是低頻電磁元件用軟磁材料的最新進(jìn)展。
    中、高頻領(lǐng)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(xiàn)在見到報(bào)導(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用。
    在電力領(lǐng)域，非晶、納米晶合金均得到大量應(yīng)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(chǎn)品有很好的應(yīng)用前景。在“九五”期間，我國(guó)自行建成了年生產(chǎn)能力1000噸的非晶帶材生產(chǎn)線及相應(yīng)的年產(chǎn)600噸非晶配電變壓器鐵心生產(chǎn)線，這為在我國(guó)大力推廣節(jié)能型非晶配電變壓器奠定了良好基礎(chǔ)。納米晶合金的最大應(yīng)用是電力互感器鐵心。電力互感器是專門測(cè)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(jí)（如0.2級(jí)、0.2S級(jí)、0.5S級(jí)）的互感器需求量迅速增加。傳統(tǒng)的冷軋硅鋼片鐵心往往達(dá)不到精度要求，雖然高磁導(dǎo)率玻莫合金可以滿足精度要求，但價(jià)格高。而采用納米晶鐵心不但可以達(dá)到精度要求、而且價(jià)格低于玻莫合金。
    從目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用以及今后發(fā)展來看，非晶合金的大量使用還是在電力系統(tǒng)：
    a、配電變壓器鐵心。鐵基非晶合金鐵心具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低矯頑力、低損耗（相當(dāng)于硅鋼片的1/3～1/5）、低激磁電流、良好的溫度穩(wěn)定性，使非晶合金變壓器運(yùn)行過程中的空載損失遠(yuǎn)低于硅鋼變壓器。這種情況尤其適用于空載時(shí)間長(zhǎng)、用電效率低的農(nóng)村電網(wǎng)。美國(guó)通過使用這種變壓器每年可節(jié)約近50×109KWH的空載損耗，節(jié)能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)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(duì)鐵心材料的要求非?？量?，不僅要求高的磁性指標(biāo)（如高導(dǎo)磁率、高飽和磁感、低損耗等），而且要求鐵心材料的整個(gè)磁化曲線滿足一定的條件，以保證互感器在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的精度。近年來，非晶微晶合金作為互感器鐵心的應(yīng)用逐漸廣泛起來，取得了非常理想的效果。
    c、開關(guān)電源變壓器及電感鐵心。傳統(tǒng)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(guān)電源是自20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的新型電源技術(shù)，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(guān)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(chǔ)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(guān)管保護(hù)電感等。
    d、漏電開關(guān)互感器鐵心。漏電開關(guān)是安裝在電器前面，用來保護(hù)電器和人的用電安全的裝置。當(dāng)由于設(shè)備絕緣不良或者人體觸電時(shí)，會(huì)在互感器的次級(jí)線圈中感應(yīng)出信號(hào)，經(jīng)過處理后使得電閘跳開，切斷電路，保護(hù)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(guān)中的互感器鐵心，國(guó)內(nèi)目前用量極大。
    在電力電子領(lǐng)域，隨著高頻逆變技術(shù)的成熟，傳統(tǒng)大功率線性電源開始大量被高頻開關(guān)電源所取代，而且為了提高效率，減小體積，開關(guān)電源的工作頻率越來越高，這就對(duì)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(wěn)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(gè)變壓器的轉(zhuǎn)換功率不超過20kW。納米晶軟磁合金同時(shí)具有高飽和磁感和很低的高頻損耗，且熱穩(wěn)定性好，是大功率開關(guān)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(zhuǎn)換功率可達(dá)500kW，體積比功率鐵氧體變壓器減少50%以上。目前在逆變焊機(jī)電源中納米晶合金已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，在通訊、電動(dòng)交通工具、電解電鍍等領(lǐng)域用開關(guān)電源中的應(yīng)用正在積極開發(fā)之中。
    在電子防竊系統(tǒng)中，早期利用鈷基非晶窄帶的諧波式防盜標(biāo)簽在圖書館中獲得了大量應(yīng)用。最近利用鐵鎳基非晶帶材的聲磁式防盜標(biāo)簽克服了諧波式防盜標(biāo)簽誤報(bào)警率高、檢測(cè)區(qū)窄等缺點(diǎn)，應(yīng)用市場(chǎng)已經(jīng)擴(kuò)展到超級(jí)市場(chǎng)?？梢灶A(yù)見，隨開放式服務(wù)方式的發(fā)展，作為防盜防偽的非晶合金帶材和絲材的應(yīng)用會(huì)急劇增長(zhǎng)。
    在電子信息領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)小尺寸、輕重量、高可靠性和低噪音的開關(guān)電源和網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備的需求日益增長(zhǎng)、要求越來越高。例如，為了減小體積，計(jì)算機(jī)開關(guān)電源的工作頻率已經(jīng)從20kHz提高到500kHz；為了實(shí)現(xiàn)CPU的低電壓大電流供電方式，采用磁放大器穩(wěn)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(dǎo)干擾的共模和差模扼流圈。因此，在開關(guān)電源和接口設(shè)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(chǎn)品中，變頻技術(shù)有利于節(jié)約電能、并減小體積和重量，正在大量普及。但負(fù)面效應(yīng)不可忽視，如果變頻器中缺少必要的抑制干擾環(huán)節(jié)，會(huì)有大量高次諧波注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)總功率因素下降。減少電網(wǎng)污染最有效的辦法之一是在變頻器中加入功率因數(shù)校正（PFC）環(huán)節(jié)，其中關(guān)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(yīng)用中有明顯優(yōu)勢(shì)，將在變頻家電綠色化方面發(fā)揮重要作用。目前在變頻空調(diào)中使用非晶PFC電感已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)。
    目前在以下幾個(gè)方面還存在推廣應(yīng)用市場(chǎng)：
    a、替代極薄硅鋼產(chǎn)品，從上海鋼研所極薄硅鋼產(chǎn)品的市場(chǎng)需求知道，極薄硅鋼（厚度<0.1mm）在20世紀(jì)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(chǎng)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(chǎn)品性能、質(zhì)量和促使小型化，而且價(jià)格上也有利可圖。
    b、高磁導(dǎo)率和大功率磁心器件，由于國(guó)內(nèi)鐵氧體生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)條件的限制，高磁導(dǎo)率、高性能、大功率鐵氧體難以滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(shè)備國(guó)產(chǎn)化、小型化。
    c、工作環(huán)境溫度高和環(huán)境惡劣等的一些電子產(chǎn)品，如油田鉆探、海洋探測(cè)等特殊環(huán)境使用的電子產(chǎn)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(chǎn)品用的各種磁性器件需要小而輕、溫度穩(wěn)定性好、磁性要求高，使用非晶納米晶合金材料遠(yuǎn)優(yōu)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(yōu)異，而且工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，正在成為一類十分重要的、具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)功能材料。可以預(yù)見，非晶、納米晶材料對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造和高新技術(shù)快速發(fā)展將發(fā)揮越來越重要的作用。
    3.2未來發(fā)展方向
    在非晶合金的產(chǎn)業(yè)化發(fā)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(fā)和產(chǎn)業(yè)化是重要分支。1980年，日本Hagiwara首先提出采用內(nèi)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(yè)生產(chǎn)Fe基和Co基非晶絲，作為產(chǎn)業(yè)化的磁性材料，應(yīng)用重點(diǎn)集中在圖書館和超市用防盜標(biāo)簽。此外，利用非晶絲材各種獨(dú)特的物理效應(yīng)開發(fā)各類高性能傳感器一直受到特別關(guān)注。尤其最近在鈷基非晶絲材中發(fā)現(xiàn)巨磁阻抗效應(yīng)以來，高精度磁敏傳感器的開發(fā)成為熱點(diǎn)。
    1999年日本科學(xué)技術(shù)振興事業(yè)團(tuán)委托名古屋大學(xué)和愛知鋼鐵公司聯(lián)合開發(fā)MI微型磁傳感器和專用集成電路心片，目標(biāo)是將非晶絲MI傳感器用于高速公路汽車自動(dòng)導(dǎo)航和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。隨著納米科學(xué)技術(shù)和快淬技術(shù)的迅速發(fā)展，非晶納米晶軟磁合金材料也在不斷進(jìn)步，不僅現(xiàn)已產(chǎn)業(yè)化的薄帶產(chǎn)品性能和質(zhì)量大大提高，而且還在研制開發(fā)非晶納米晶合金粉末及粉末制品、薄膜材料、復(fù)合材料等，這些新型納米材料的研制開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化將對(duì)電子變壓器行業(yè)產(chǎn)生極大的潛在影響。