鐵基非晶合金助推中國(guó)電機(jī)產(chǎn)業(yè)升級(jí)

李宗臻 鄭偉 霍亮琴

摘 要：本文對(duì)鐵基非晶合金的制備技術(shù)及性能特點(diǎn)進(jìn)行了分析，綜述了國(guó)內(nèi)非晶合金產(chǎn)業(yè)及電機(jī)產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀。提出了鐵基非晶合金在電機(jī)定子鐵芯應(yīng)用所面臨的問(wèn)題，展望了非晶電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。鐵基非晶合金在高效電機(jī)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)我國(guó)電機(jī)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代有重要意義。

關(guān)鍵詞：非晶合金;非晶電機(jī);軟磁材料

中圖分類號(hào)：TM35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）12-0248-02

1 鐵基非晶合金概述

材料在人類歷史發(fā)展過(guò)程中起到非常重要作用，能源、信息、材料被認(rèn)為是21世紀(jì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的三大支柱，其中，材料是各行各業(yè)的基礎(chǔ)，從世界科技發(fā)展史看，重大的技術(shù)發(fā)展往往伴隨著材料的革新;反之，新技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)了新材料的研發(fā)，可以說(shuō)沒(méi)有先進(jìn)的材料，也就沒(méi)有當(dāng)今科技的快速發(fā)展，因此，材料的研發(fā)在科技發(fā)展中顯示出不可替代的作用[1-3]。新材料所具備的特殊性能有別于傳統(tǒng)材料，如超高強(qiáng)度、超高硬度、高耐腐蝕性等特殊性能，應(yīng)對(duì)了現(xiàn)今科技發(fā)展對(duì)材料的高要求。磁性材料是電子工業(yè)的重要基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通訊、汽車、電子器件、航空航天等領(lǐng)域，加之音響設(shè)備、電視機(jī)、電冰箱、空調(diào)器等家用電器以及日常生活用品等，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著十分重要的作用[2，9]。磁性材料按用途可分為軟磁材料、硬磁材料、功能磁性材料（包括磁致伸縮材料、磁記錄材料、磁電阻材料、磁光材料、磁性薄膜材料等）。其中，軟磁材料是電力工業(yè)和電子工業(yè)中廣泛應(yīng)用的重要材料。在電力工業(yè)，從電能產(chǎn)生（發(fā)電機(jī)）、傳輸（變壓器）到利用（電動(dòng)機(jī)）的過(guò)程中，軟磁材料起能量轉(zhuǎn)換作用。在電子工業(yè)，從通訊（濾波器和電感器）、自動(dòng)控制（繼電器、磁放大器、變換器）、廣播電視和電影（聲音圖像的錄、放、抹磁頭），再到電子計(jì)算技術(shù)（各種鐵磁性微波器件），軟磁材料起著信息變換、傳遞與存儲(chǔ)等重要作用[2]。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，軟磁材料的需求空前廣闊，對(duì)軟磁材料的性能也提出了更高的要求，因而開發(fā)性能優(yōu)異的軟磁材料成為現(xiàn)代新型磁性材料研究的熱點(diǎn)[1，2，4-6]。

鐵基非晶合金作為一種新型軟磁功能材料，具有典型的“雙綠色”節(jié)能特征。首先，鐵基非晶合金一般采用平面流鑄造法（Planar Flow Casting，簡(jiǎn)稱PFC）制備，以每秒一百萬(wàn)度的冷卻速率從鋼液直接凝固形成厚度為20～30μm的條帶，如圖1所示。與傳統(tǒng)的硅鋼材料的制備過(guò)程相比，非晶材料的制造過(guò)程省去了澆鑄、軋制、再結(jié)晶退火、表面絕緣處理等諸多工序，實(shí)現(xiàn)了冶金領(lǐng)域最短的工藝流程，制造過(guò)程可以節(jié)省約80%的生產(chǎn)能耗。同時(shí)，非晶材料具有原子排列長(zhǎng)程無(wú)序的微觀結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出了優(yōu)異的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。特別是在磁性能方面，非晶材料本身具有低損耗、高磁導(dǎo)率的特征，現(xiàn)已成功應(yīng)用于非晶配電變壓器，其空載損耗可比傳統(tǒng)硅鋼變壓器降低60～80%。所以，非晶材料的生產(chǎn)制造及應(yīng)用均具有節(jié)能環(huán)保特性，廣泛應(yīng)用于輸配電、電子信息、新能源汽車等領(lǐng)域[2]。

鐵基非晶合金是綜合性能優(yōu)異的軟磁功能材料之一。隨著頻率升高，硅鋼鐵芯損耗呈級(jí)數(shù)快速增加，非晶鐵芯節(jié)能優(yōu)勢(shì)越來(lái)越顯著，如圖2所示。電機(jī)定子鐵芯采用鐵基非晶軟磁合金，可以大幅降低電機(jī)鐵芯損耗，還因其具有高磁導(dǎo)率的特征，可以降低電機(jī)的啟動(dòng)電流、提高電機(jī)的響應(yīng)速度，降低電機(jī)的銅損;而且，非晶材料在電機(jī)的工作頻率范圍（50-1000Hz），磁導(dǎo)率隨頻率升高衰減緩慢，使非晶電機(jī)在越高頻率綜合性能優(yōu)勢(shì)越顯著[2，7]。

2 鐵基非晶合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)家科技部和北京市科委聯(lián)合支持下，安泰科技突破了萬(wàn)噸級(jí)非晶帶材產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，中國(guó)已經(jīng)成為世界上第二家在該領(lǐng)域擁有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)家。隨著國(guó)內(nèi)非晶制造企業(yè)產(chǎn)能的逐步釋放，國(guó)產(chǎn)非晶帶材的產(chǎn)能和市場(chǎng)占有率迅速攀升，2015年已高達(dá)10萬(wàn)噸，市場(chǎng)占有率已經(jīng)達(dá)到59%;2016年12萬(wàn)噸，市場(chǎng)占有率超過(guò)90%;2017年，日立金屬帶材基本退出中國(guó)市場(chǎng)。

電機(jī)作為最重要的動(dòng)力設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、交通運(yùn)輸、家用電器以及國(guó)防軍工等各個(gè)領(lǐng)域。我國(guó)是電機(jī)制造大國(guó)，每年消耗無(wú)取向硅鋼約1000萬(wàn)噸，電機(jī)產(chǎn)品年銷售收入達(dá)到萬(wàn)億元。隨著《中國(guó)制造2025》強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，節(jié)能環(huán)保、新能源汽車、高端裝備制造業(yè)等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)特種高頻電機(jī)的功率密度或轉(zhuǎn)矩密度、能效水平、運(yùn)行穩(wěn)定性等關(guān)鍵參數(shù)均提出了更高的要求，高頻電機(jī)市場(chǎng)需求量接近千億元。同時(shí)，中國(guó)正在成為全球最大電機(jī)系統(tǒng)及組件生產(chǎn)基地，市場(chǎng)規(guī)模接近萬(wàn)億元。

3 鐵基非晶合金在電機(jī)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用展望

相對(duì)于傳統(tǒng)的硅鋼軟磁材料，非晶軟磁材料應(yīng)用于高頻電機(jī)鐵芯的優(yōu)勢(shì)十分明顯。非晶帶材應(yīng)用于電機(jī)鐵芯，可使電機(jī)鐵損降低80-95%，進(jìn)而大幅度降低電機(jī)溫升、提高電機(jī)效率。然而，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的牌號(hào)為1K101的鐵基非晶合金專門針對(duì)配電變壓器應(yīng)用設(shè)計(jì)，其非晶形成能力和制帶工藝有限，高厚度會(huì)導(dǎo)致帶材出現(xiàn)晶化問(wèn)題，影響帶材的其它關(guān)鍵性能。同時(shí)，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.56T，比硅鋼材料約低20%，導(dǎo)致非晶電機(jī)在較低頻率（400Hz以下）的功率密度低于硅鋼電機(jī)，制造成本增加。因此，要實(shí)現(xiàn)非晶帶材在高頻電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和大規(guī)模推廣，亟待開發(fā)新型高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低損耗，同時(shí)兼?zhèn)涓吆穸取⒏唔g性的高頻電機(jī)專用新型非晶帶材及其集成化制備技術(shù)[7，8]。

電機(jī)是實(shí)現(xiàn)《中國(guó)制造2025》的重要一環(huán)，電機(jī)行業(yè)耗電量占全社會(huì)總耗電量的60%以上，非晶材料可使電機(jī)鐵損降低85-95%;高頻下（400Hz以上）非晶電機(jī)效率相比硅鋼電機(jī)提升2-10%，推廣應(yīng)用高頻、高效非晶電機(jī)意義重大。隨著第三代寬禁帶半導(dǎo)體控制器的發(fā)展和非晶鐵芯技術(shù)的快速突破，通過(guò)發(fā)展高頻特種非晶電機(jī)集成化技術(shù)，有望為我國(guó)高頻電機(jī)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)一次技術(shù)革命，同時(shí)提高我國(guó)高端高頻電機(jī)的綜合性能和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。鐵基非晶合金在智能電網(wǎng)、新能源汽車、智能制造、信息技術(shù)、航空航天等戰(zhàn)略新興行業(yè)均存在巨大應(yīng)用潛力，如圖3所示。開展非晶節(jié)能配電變壓器以及非晶電機(jī)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)、實(shí)現(xiàn)非晶鐵芯、非晶節(jié)能配電變壓器和非晶電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化，將全面推動(dòng)非晶高端節(jié)能產(chǎn)品核心技術(shù)的自主化和國(guó)產(chǎn)化發(fā)展，對(duì)于推動(dòng)非晶綠色節(jié)能高端產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)、推動(dòng)非晶高端制造業(yè)的發(fā)展、提升產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力和支撐首都經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，必將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益[9]。

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