高性能纳米晶软磁合金技术研究与产业化分析

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   世界自然保护基金组织在“解决全球温室效应”纲要中指出：“非晶、纳米晶材料是一种很有希望节能的新材料”。铁基非晶纳米晶软磁合金是20世纪80年代末问世的一类新型软磁材料。它的软磁性能兼备了各种传统软磁材料的优点，如高饱和磁感应强度、高磁导率和低损耗等，满足了各类电子设备向高效节能、微型化、集成化方面发展的需求，而且成本低廉。
技术研究状况
    1988年日本的Yoshizawa等人首先发现，在Fe-Si-B非晶合金的基体中加入少量Cu和M（M＝Nb、Ta、Mo、W等），经适当的温度晶化退火以后，可获得一种性能优异的具有体心立方结构的超细晶粒（D约为10nm）软磁合金，堪称“第三代软磁”材料。该材料磁性能不仅不恶化，反而非常优良，这种非晶合金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为纳米晶合金。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9，牌号为Finemet，磁性能为高饱和磁感(1.2Ｔ)、高初始磁导率(80000)、低Hc(0.32A/M)，高磁感下的高频损耗低（P0.5T／20kHz＝30W/kg），电阻率为80Ωcm，比坡莫合金(50～60μΩcm)高。其后，Suzuki等人又开发出了Fe-M-B（M＝Zr，Hf，Ta）系。到目前为止，已经开发了许多纳米晶软磁材料。
    早期的Fe基纳米晶软磁合金现已产业化，它具有1.25～1.30T的饱和磁感应强度Bs、105数量级的起始磁导率μi、mOe数量级的低矫顽力Hc和良好的磁导率频散特性，在宽频率范围内的低铁损以及良好的磁性温度稳定性等性能，因此应用范围越来越广。早期开发的合金含有较昂贵的Nb，且钢水粘度较大，制取非晶有一定的困难。为了降低原材料成本和改善加工性能，又保持早期合金优良的软磁性能，国内外学者又在第三代软磁合金的基础上进行改进，以研制出更加廉价的具有中等或中上等品质性能的软磁性能合金。在第三代软磁合金问世2-3年以后，日本东北大学井上明久（A.Inoue）等人又成功开发了高饱和磁感应强度Bs的铁基纳米晶合金，其饱和磁感应强度Bs为1.5～1.7T，合金的纳米晶相与第三代软磁合金体心立方的α-Fe+Si相不同，为单一体心立方结构的α-Fe纳米晶。这类Fe基纳米晶软磁合金是指饱和磁感应强度Bs≥1.5T，在Hm＝0.4Am-1的弱场下具有104～105数量级的磁导率和较低铁损的Fe-M1-B-M2类合金（其中M1＝Zr、Nb、Hf、Ta、Ti、Mo、W等单一元素或多种元素组合，M2＝Cu、Si、Al等单一元素或组合）或者为Fe-M-B系(M=Zr、Nb、Hf)被公认为第三代软磁合金的改进型，其在软磁材料中处于重要的地位。
    综上可知，对非晶材料进行退火处理使其发生部分晶化，获得的非晶纳米晶双相材料具有极其优良的综合软磁性能。在电力电工领域，采用非晶纳米晶软磁合金作为铁芯材料的变压器，其空载损耗可比同容量的硅钢芯变压器降低60％～80％。美国通过使用这种变压器每年可节约近5×1010kWh的空载损耗，节能产生的经济效益节约为35亿美元。同时减少电力损耗也就降低了发电的燃料消耗，从而减少了诸如CO2、SO2、NOX等有害气体的排放量，满足了社会可持续发展和保护生态环境的需要。因此，铁基非晶纳米晶软磁合金符合21世纪新材料发展的节能化、环保化要求，是一种绿色环保的节能材料，其正在成为硅钢片、铁氧体等传统软磁材料的有利竞争者。