摘要：扼要介紹非晶納米晶軟磁材料的發展、特性及其在電子變壓器中的應用和應當注意的若干問題。
1前言
隨著電子技術的不斷發展，有源器件的進步，電子產品的體積和重量大大減少，這就推動了包括電子變壓器在內的電子元器件向輕、雹小的方向發展。電子變壓器的生產工藝面臨一場巨大的變革，電子變壓器向高頻化、低損耗、重量輕、體積小方向發展是必然的趨勢，作為電子變壓器核心部件的軟磁鐵芯將是這場變革的關鍵元件，因而推廣應用具有高飽和磁感、高初始磁導率和高頻低損耗非晶納米晶軟磁合金材料用作電子變壓器磁芯將大大促進電子變壓器的小型化，滿足電子行業的發展需要。
目前，隨著納米科學技術和快淬技術的發展，各種新型納米材料，如納米晶粉未材料、納米薄膜材料和納米顆粒膜材料等不斷問世，這些新型納米材料一旦產業化，將大大促進電子變壓器向高頻、小型化、片式化方向發展。
2非晶納米晶軟磁合金材料的生產及性能
非晶合金是20世紀70年代問世的一種新型合金材料，它是採用國際先進的超急冷技術將液態金屬以1×106℃/秒冷卻速度直接冷卻，形成厚度為0.02
mm～0.04mm的固體薄帶，得到原子排列組合上具有短程有序、長程無序特點的非晶合金組織，不具備傳統金屬材料的晶體結構，因此它具有與傳統材料不同的性能特點，如優異的軟磁性能、耐蝕性、耐磨性、高硬度、高強度、高電阻率等。由於它的性能優異，生產工藝簡單，20世紀80年代以來成為國內外材料科學界研究開發和應用的重點，不僅研製出用於電子工業的軟磁材料，而且還開發出其他用途的合金材料，如釺焊材料、催化劑、結構材料等。80年代未期，材料學者又在非晶化基礎上研製出納米晶軟磁合金材料，該材料具有更優異的軟磁性能。目前，非晶納米晶軟磁合金材料家族主要有鐵基非晶、鐵鎳基非晶、鈷基非晶和鐵基納米晶合金等4大類，有關磁性能如表1、圖1和圖2所示。
從表1、圖1和圖2可知，非晶納米晶合金材料用作電子變壓器磁芯可以有效促進其小型化，與傳統的軟磁材料相比，具有明顯的優勢。冷軋矽鋼的飽和磁感高，但由於其有效磁導率低，高頻損耗大，使用頻率達不到kHz頻段，即使使用極薄矽鋼仍達不到鐵基非晶的損耗水平；鐵氧體材料的價格低廉，但由於其居裡溫度低，在100℃以上時的飽和磁感已經很低，因此其使用溫度受到限制，再者，其飽和磁感低於0.5T，製造大功率磁芯時需要較大的體積。至於坡莫合金，儘管其磁性能好，可與非晶納米晶材料相比美，但由於它含有50％以上的鎳，成本高，加工工藝複雜，獲得用於高頻環境下的極薄帶的價格昂貴，兩者的性能價格比是不可比的。
圖1幾種軟磁合金的μe－Bs性能
圖2幾種軟磁合金在kHz頻段的特性對比
目前，國內企業受到非晶納米晶合金材料製造工藝裝備的限制，該合金薄帶還存在衝壓、剪切加工及價格等問題，但是隨著快淬技術的發展和產品應用的擴大，以及通過技術引進和技術改造等，這些問題會在不太遠的將來得到解決。
3非晶納米晶合金材料在電子變壓器中的應用
一般來講，電子變壓器對鐵芯材料的主要要求是：（1）高的飽和磁感；（2）儘可能低的高頻損耗；（3）高的初始磁導率；（4）高的居裡溫度和良好的溫度穩定性；（5）環境穩定性好，對應力不敏感；（6）有些用途如脈衝變壓器還要求高的矩形比或低Br。非晶納米晶軟磁合金材料由於其帶厚和電阻率等因素決定在50kHz～1000kHz範圍內（通常在幾百kHz以下）能達到上述性能要求，使得非晶納米合金在這一頻段的內開發應用非常活躍，已研製成各種各樣的磁芯器件，廣泛應用於電力工業、電子工業及電力電子器件領域，用作電流互感器、開關電源、逆變電源和程控交換機電源的變壓器、電抗器、濾波器以及抗EMI器件等。
本人認為，在以下幾個方面目前還存在推廣應用市場：
（1）替代極薄矽鋼產品，從上海鋼研所極薄矽鋼產品的市場需求知道，極薄矽鋼（厚度<0.1mm）在20世紀70年代大量用於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。
（2）高磁導率和大功率磁芯器件，由於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，如採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。
表1幾種常用軟磁材料的磁性能鐵基非晶合金冷軋矽鋼鐵鎳基非晶鈷基非晶合金鐵基納米晶合金坡莫合金軟磁鐵氧體飽和磁感應強度/T>1.52.0>0.70.5～0.8>1.20.5～1.5<0.5居裡溫度/℃>415730>250>320>560>400<230晶化溫度/℃>550>410>480>510電阻率/μΩ－cm140501251409055>106密度/(g/cm3)7.187.657.58.07.258～8.84.8硬度/(hg/mm2)860640900880120600飽和磁致伸縮係數/×10－620～30271201～20～2514初始導磁率>10001000>4000>30000>80000>100002000最大導磁率>200000>10000>200000>200000>2000000>200000矯頑力(A/m)<3>8.0<0.8<2.0<2.0>0.420鐵損/(W/kg)P1/50=0.07P1/400=1.2P1/50>0.3P1/400=5.8P0.2/20k<20P0.2/20k<5P0.2/20k<10P0.2/20k=13P0.2/20k<20註：鐵損的表示方法：如P1/50表示頻率為50Hz,磁通密度為1T的鐵損。
（3）工作環境溫度高和環境惡劣等的一些電子產品，如油田鑽探、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製作，可以物盡其用，避免選材上的困擾。
（4）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於其他軟磁材料。
（5）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，目前這些器件大都採用鐵氧體或冷軋矽鋼，工作頻率f=20kHz，工作磁感B=0.2T～0.3T，如採用非晶納米晶合金磁芯，可將工作頻率提高到f=40kHz～50kHz,工作磁感B=0.5T～0.6T，可以大大減小磁芯器件的體積和尺寸。
（6）各種抗EMI器件、噪聲抑制器和尖峰抑制器。
4非晶納米晶合金應用中值得注意的幾個問題
雖然非晶納米晶合金在我國已有近20年的應用歷史，但仍有不少使用者對這類材料的應用有些疑慮，本人認為有必要說明。
4．1非晶納米晶合金的時效穩定性
非晶合金是從液態金屬急冷形成的，處於熱力學亞穩定態，有向晶態轉變的趨勢。一旦發生嚴重晶化，合金的磁性能將不復存在，故此有人擔心非晶納米晶合金鐵芯使用中會因時效導致性能惡化。但實際上這種擔心是多餘的，一方面晶化發生在非晶晶化溫度（>350℃）以上，而在實際使用中，電子器件的工作溫度不超過200℃，另一方面非晶納米晶合金鐵芯使用前均經過300℃、1小時以上的退火熱處理，結構已相當穩定，國內外這類鐵芯20餘年的應用歷史也表明不會發生時效而導致性能變化。
4．2非晶納米晶合金的溫度穩定性
由表1可知，非晶納米晶合金的居裡溫度為300℃～560℃，遠高於鐵氧體等軟磁材料。實際用於軍工產品的溫度試驗結果也表明，在－55℃～150℃範圍內，非晶納米晶合金磁性能的變化在5％～10％，滿足其性能要求，而且這種變化是隨溫度而完全可逆的。因此該類合金材料具有良好的溫度穩定性。
4．3非晶納米晶合金的耐衝擊振動
非晶納米晶合金製成的磁性器件的耐衝擊振動性能非常可靠。早期的非晶納米晶合金製品主要應用於軍工產品，這些電子產品都需要進行嚴酷的耐衝擊振動試驗，有的高達30g～50g，一般都是在鐵芯裝盒灌封后單獨或隨整機進行試驗，均未發生性能惡化問題。對於民品，更不存在耐衝擊振動問題。
4．4非晶納米晶合金鐵芯的規格標準化
目前，大多數情況下非晶納米晶鐵芯用以替代其他軟磁材料如矽鋼、坡莫合金和鐵氧體，這種先入為主的原則決定了非晶納米晶合金鐵芯的規格標準只能參照借用其它鐵芯規格標準，滿足用戶使用要求。好在大多數這類鐵芯都是合金薄帶卷繞製成的，工藝簡便，鐵芯尺寸靈活性大，可以依據用戶要求的尺寸規格來加工製造。當然非晶納米晶合金的磁性能與其它材料不同，不能完全照搬其它材料鐵芯的規格標準，有時需要稍作調整。
5非晶納米晶軟磁合金材料的發展
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，而且還在研製開發非晶納米晶合金粉末及粉末製品、薄膜材料、複合材料等，這些新型納米材料的研製開發及產業化將對電子變壓器行業產生極大的潛在影響。作者認為以下幾個方面值得電子變壓器行業的同仁們關注。
5．1非晶納米晶合金薄帶脆性大大改善
近年來，國外非晶薄帶生產企業已完全解決了非晶制帶的技術關鍵，生產出高性能、高質量的合金薄帶，達到可以剪切加工。國內企業積極進行技術改造，基本解決非晶制帶的技術關鍵，一旦實現真正產業化，電子變壓器界的同仁們所擔心的衝剪問題就不存在了。
5．2非晶納米晶合金粉末及粉末製品的開發應用
非晶納米晶合金粉末及粉末製品的研究開發拓寬了該類合金材料在電子技術領域的應用，用作各種高頻電源的濾波電感、貯能電感和PFC技術中電感器件的磁粉芯產品已經產業化、系列化，其磁導率μe在100以內，基本滿足高頻電感器件的需要。
由於目前非晶納米晶合金粉末大多是以非晶薄帶破碎制粉，在粉末製備及納米晶化處理方面存在一些問題，難以採用常規粉末冶金工藝解決，如非晶粉末顆粒硬而扁平，成形加工難等。但如藉助納米科學技術及快速凝固技術有可能獲得球形或近球形非晶納米晶粉末顆粒，這對粉末製品的製備很有利，且可以大大提高粉末磁芯性能。這類材料的研發在電子變壓器行業至少存在下列潛在應用市場：（1）電子變壓器用粉末磁芯，國外已有磁導率μe達到6000的粉末鐵芯的報導，如這類粉末鐵芯用作電子變壓器磁芯，就像目前鐵氧體生產那樣製備粉末鐵芯，但其性能遠遠優於鐵氧體材料，其影響可想而知。（2）納米磁性液體的磁介質，納米磁性液體用作電子變壓器磁芯的研究開發工作正在引人關注，非晶納米晶合金具有優異的軟磁特性，加工成粉末不可能改變其本徵磁性能，因而成為非晶納米晶合金等。
5．3非晶納米晶薄膜材料
非晶納米晶薄膜材料的生產方法不同於我們現在使用的快淬技術，但作為對未來電子變壓器有著深遠影響的新型納米晶材料，值得同仁們關注。
隨著表面安裝技術、器件集成化技術和微製造技術的迅速發展，電子設備的小型化、輕量化、薄型化及微型化前進了一大步，實現上述要求的重要手段就是提高它的工作頻率。傳統軟磁鐵氧體材料中的電阻率高，但飽和磁感太低，工作頻率只能達到5MHz～10MHz，超過這一頻率，其晶界將出現部分「短路」，磁芯損耗急劇增加，導致磁性下降，因此超過上述頻率後大都使用金屬薄膜材料，研究應用新型具有高電阻率和高飽和磁感的薄膜磁芯材料也就有了應用市場，這也為非晶納米晶薄膜、顆粒膜等材料的開發應用提供了空間。另外，由於目前研製的高電阻率和高飽和磁感的薄膜磁芯材料基本上都是採用濺射或電鍍等工藝製備，這些工藝和設備早已應用在大生產中，這也將大大有利於非晶納米晶薄膜材料、顆粒膜材料等的產業化。
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