非晶/纳米晶软磁材料
一．应用领域
非晶态软磁合金材料为20世纪70年代问世的一种新型材料，因具有铁芯损耗小、电阻率高、频率特性好、磁感应强度高、抗腐蚀性强等优点，引起了人们的极大重视，被誉为21世纪新型绿色节能材料。其技术特点为：采用超急冷凝固技术使合金钢液到薄带材料一次成型；采用纳米技术，制成介于巨观和微观之间的纳米态(10-20nm)软磁物质。非晶、纳米晶合金的优异软磁特性都来自于其特殊的组织结构，非晶合金中没有晶粒和晶界，易于磁化；纳米晶合金的晶粒尺寸小于磁交换作用长度，导致平均磁晶各向异性很小，并且通过调整成分，可以使其磁致伸缩趋近于零。【表1】列出了非晶/纳米晶软磁材料的典型性能及主要应用领域。
材 料 饱和磁感(T) 矫顽力(A/m) Br/Bs 最大磁导率 铁损(W/kg) 磁致伸缩系数 居礼温度(℃) 电阻率(mW-cm) 铁基非晶 1.56 <4 -- 45×10 P50Hz,1.3T <0.2 27×10 415 130 -64铁镍基非晶 0.77 <2 -- >200,000 P20KHz,0.5T<90 15×10 360 130 -6钴基非晶 0.6-0.8 <2 >0.96 >200,000 P20KHz,0.5T<30 <1×10 >300 130 磁放大器 -6铁基纳米晶 1.25 <2 0.94 >200,000 P20KHz,0.5T<30 <2×10 560 80 磁放大器 高频变压器 扼流圈 脉冲变压器 饱和电抗器 互感器 -6配电变压器 应用领域 中频变压器 功率因子校正器 磁屏蔽 防盗标签 高频变压器 扼流圈 脉冲变压器 饱和电抗器
近年来，随着信息处理和电力电子技术的快速发展，各种电器设备趋向高频化、小型化、节能化。
在电力领域，非晶、纳米晶合金均得到大量应用。其中铁基非晶合金的最大应用是配电变压器铁芯。由于非晶合金的工频铁损仅为硅钢的1/5～1/3，利用非晶合金取代硅钢可使配电变压器的空载损耗降低60﹪～70﹪。因此，非晶配电变压器作为换代产品有很好的应用前景。纳米晶合金的最大应用是电力互感器铁芯。电力互感器是专门测量输变电线路上电流和电能的特种变压器。近年来高精度等级（如0.2级、0.2S级、0.5S级）的互感器需求量迅速增加。传统的冷轧硅钢片铁芯往往达不到精度要求，虽然高磁导率玻莫合金可以满足精度要求，但价格高。而采用纳米晶铁芯不但可以达到精度要求、而且价格低于玻莫合金。
在电力电子领域，随着高频逆变技术的成熟，传统大功率线性电源开始大量被高频开关电源所取代，而且为了提高效率，减小体积，开关电源的工作频率越来越高，这就对其中的软磁材料提出了更高的要求。硅钢高频损耗太大，已不能满足使用要求。铁氧体虽然高频损耗较低，但在大功率条件下仍然存在很多问题，一是饱和磁感低，无法减小变压器的体积；二是居礼温度低，热稳定性差；三是制作大尺寸铁芯成品率低，成本高。目前采用功率铁氧体的单个变压器的转换功率不超过20kW。纳米晶软磁合金同时具有高饱和磁感和很低的高频损耗，且热稳定性好，是大功率开关电源用软磁材料的最佳选择。采用纳米晶铁芯的变压器的转换功率可达500kW，体积比功率铁氧体变压器减少50﹪以上。目前在逆变焊机电源中纳米晶合金已经获得广泛应用，在通讯、电动交通工具、电解电镀等领域用开关电源中的应用正在积极开发之中。
在电子信息领域，随着计算机、网络和通讯技术的迅速发展，对小尺寸、轻重量、高可靠性和低噪音的开关电源和网络接口设备的需求日益增长、要求越来越高。例如，为了减小体积，计算机开关电源的工作频率已经从20kHz提高到500kHz；为了实现CPU的低电压大电流供电方式，采用磁放大器稳定输出电压；为了消除各种噪音，采用抑制线路自生干扰的尖峰抑制器，以及抑制传导干扰的共模和差模扼流圈。因此，在开关电源和接口设备中增加了大量高频磁性器件。非晶、纳米晶合金在此大有用武之地。
在电子防窃系统中，早期利用钴基非晶窄带的谐波式防盗标签在图书馆中获得了大量应用。最近利用铁镍基非晶带材的声磁式防盗标签克服了谐波式防盗标签误报警率高、检测区窄等缺点，应用市场已经扩展到超级市场。可以预见，随开放式服务方式的发展，作为防盗防伪的非晶合金带材和线材的应用会急剧增加。
在家用产品中，变频技术有利于节约电能、并减小体积和重量，正在大量普及。但负面效应不可忽视，如果变频器中缺少必要的抑制干扰环节，会有大量高次谐波注入电网，使电网总功率因素下降。减少电网污染最有效的办法之一是在变频器中加入功率因子校正（PFC）环节，其中关键部件是高频损耗低、饱和磁感大的电感铁芯。铁基非晶合金在此类应用中有明显优势，将在变频家电绿色化方面发挥重要作用。目前在变频空调中使用非晶PFC电感已经成为一个焦点。
在漏电保护器中，近年来大量使用的漏电保护器中的零序电流互感器的铁心是由软磁材料制成的，该互感器对漏电保护器的灵敏度、可靠性、体积和成本影响很大。由软磁材料制成的互感器作为检测组件，其作用是当互感器初级有毫安级漏电电流或触电电流产生的弱磁场作用时，在互感器次级产生足够大的感应电势，通过执行机构动作，达到保护人体及设备安全的目的。允许的漏电电流的大小，即关系到漏电保护器的灵敏度，铁心在其中起重要作用，对铁心材料的要求主要是：(1)在漏电电流作用下，具有高的交流磁导率；(2)铁心随温度、时间的变化性能要稳定；(3)互感器平衡特性好。坡莫合金是国内外漏电保护器中互感器铁心的基本选用材料，它虽然有不少优点，但生产工艺复杂、价格昂贵、对应力较为敏感，在运输及装配时要轻拿轻放，避免震动。而非晶态材料具有很多优异的特性，是一种超高导磁材料，使用于互感器铁心，不仅能提高漏电保护器的性能，降低产品成本，而且由于非晶铁心简单，从原材料到铁心成品，可节约大量人力、物力和财力，节时、节电，经济效益显著。另外非晶态材料与坡莫合金相比，不仅直流磁导率高，而且交流磁导率也高。非晶态材料的电阻率是坡莫合金的2倍。它的硬度和强度也比坡莫合金高得多。经过长时间和高低温试验表明它还有较高的稳定性。
总之，非晶、纳米晶合金不仅软磁性能优异，而且制程简单、成本低廉，正成为一项具有市场竞争优势的基础功能材料。可以预见，非晶、纳米晶材料对传统产业转型和高科技迅速发展将发挥越来越重要的作用 二.非晶软磁合金的制备