我国非晶合金产品开发现状及应用前景展望

张敬芝

(枣庄学院机电学院，山东 枣庄 277100)

我国非晶合金产品开发现状及应用前景展望

张敬芝

(枣庄学院机电学院，山东 枣庄 277100)

介绍了我国非晶合金产品的研制情况，分析了我国非晶合金产品研发中存在的问题，对我国非晶合金产品的应用前景进行了展望。

高效节能材料；非晶合金；软磁材料

非晶合金是利用快速(即106℃/s的冷却速度)凝固技术形成的特殊材料，与传统合金相比较，其中间工序及流程大大减少，节省了大量能源，生产成本大为降低，而且生产过程无污染物排放[1]。同时，作为软磁材料，非晶合金具有高饱和磁感及低损耗的特点。由于具有上述优良特性，世界各国投入大量人力物力进行研究并实现了非晶合金产品的商品化。下面，笔者详细阐述我国非晶合金产品开发现状并对其应用前景进行展望。

1 我国非晶合金产品研制情况

20世纪70年代中期，在国家发改委和科技部的长期支持下，我国开始对非晶合金材料进行研究。首先是以钢铁研究总院和安泰科技股份有限公司为核心骨干研发的新型软磁电工材料非晶合金带材产业化获得成功。目前，在基础研究、材料研究、工艺装备、应用开发等核心技术和相关配套技术方面取得了重大的进展，已获得近200项科研成果[2-3]。“九五”期间建成的千吨级非晶带材及制品生产线实际年产出非晶合金产品数千吨，已经应用于电力电子变压器等多种领域，取得了良好的经济效益和社会效益。随着2009年9月万吨级非晶带材生产线正式投产，安泰科技股份有限公司成为继日本日立金属公司之后全球第2个实现非晶合金带材产业化的企业，从而使我国基本具备了大规模推广非晶合金产品的原材料保障能力，到2010年年底，该公司已经具备非晶合金带材4×104t的年产能[4]。目前，我国利用非晶合金材料研制的产品主要包括带材制品、铁芯制品和元件制品。

1.1 非晶合金带材制品

非晶合金带材制品分为铁基非晶带材及铁基纳米晶带材2种类型，主要用于制备各种非晶及纳米晶铁芯、非晶丝材以及磁粉芯等。

1.2 非晶合金铁芯制品

非晶合金铁芯制品主要包括以下类型[5]：①采用铁基非晶带材制造并应用于高频大功率开关电源及太阳能逆变器中的输出滤波电抗器及电感铁芯；②采用铁基纳米晶带材制造的具有共模噪声抑制作用EMC共模电感环形铁芯；③采用铁基纳米晶带材制造并用于电力系统的中高压电流互感器铁芯；④采用铁基非晶或纳米晶带材制造并应用于电子电度表、精密功率表中的精密电流小互感器铁芯；⑤采用铁基纳米晶带材制造并用于大功率开关电源主变压器的大功率开关电源变压器环形铁芯；⑥用于漏电保护开关中的A型抗直流漏电铁芯；⑦采用铁基非晶带材制造并用于直流变频空调、等离子电视等产品中PFC的环形开口电感铁芯；⑧采用铁基纳米晶带材制造并应用于主变压器、脉冲变压器、控制变压器中的小型开关变压器环形铁芯；⑨采用铁基非晶带材制造并用于航空变压器、铁路控制系统变压器、机械零件淬火设备变压器中的各种中频变压器铁芯。

1.3 非晶合金元件制品

非晶合金元件制品主要为大功率高频变压器，其应用于高频开关电源变压器中。

2 我国非晶合金产品研发中存在的问题

2.1 非晶合金带材产能不足

由于节能效果显著的非晶合金产品的应用前景非常广阔，因而对非晶合金材料的需求量巨大。虽然安泰科技股份有限公司已经具有4×104t非晶合金带材的年产能，但仍无法满足国内非晶节能变压器等对非晶带材原料的需求。行业专家预测，在未来5年内，对于非晶带材的年需求量将达到(1.0～1.5)×105t，这表明存在巨大供需缺口[6]。因此，目前扩大产业规模是我国非晶合金带材制造企业的当务之急。

2.2 非晶合金产品性能及稳定性有待提高

目前，利用国产非晶带材制造的非晶配电变压器的性能及稳定性还有待提高，因而改善带材质量性能是我国非晶产业需要重点关注的问题。应尽早开发具有更高饱和磁感的新一代铁基非晶材料，并从合金组成和生产工艺2个方面进一步减缓非晶带材的退火脆性，改善其工艺加工性能，这对于拓宽非晶合金材料的应用领域具有重要意义。

3 我国非晶合金应用前景展望

非晶合金发展潜力最大的2个领域分别是智能电网及新能源领域，非晶、纳米晶产品主要应用于智能电网中的智能电表、太阳能并网发电的光伏逆变器和新能源汽车。非晶合金的未来研发新产品主要有第3代高性能纳米晶薄带(带厚低于22μm)、高端共模电感铁芯、高频功率变压器铁芯、C型铁芯和高效电机非晶定子铁芯。

智能电表是实施智能电网不可或缺的重要组成部分，随着智能电网的全面建设，智能电表将逐步替换传统的普通电表，中国将成为全球最大智能电表消费市场。精密电流互感器是智能电表中的关键元件，随着智能电网的建设，预期10年内每年需求关口智能电表和用户端智能电表近亿块，而每块电表需要3只精密电流互感器。因此，随着智能电表的推广和大量应用，纳米晶互感器铁芯将面临着巨大的市场需求。

在太阳能光伏产业中，非晶C型铁芯主要用于光伏逆变器中的滤波电感，衡量非晶C型铁芯性能的主要指标是铁芯损耗[7]，降低铁芯损耗对提高光伏逆变器的转换效率具有重要意义。

非晶材料应用的另一个新兴领域是非晶高效电机，非晶高效电机具有高扭矩密度、高效率、小体积、大功率等特点，因而开发非晶高效电机对于我国工业电机系统有着巨大的节能意义。在我国电力消费结构中电机系统用电所占比例高达60%以上，而我国现行主体系列电机的平均运行效率仅为87.6%，而目前国际上采用非晶合金定子铁芯开发研制的非晶高效电机，其运行效率可达到95%[8]。由此可见，开发节能潜力巨大的非晶高效电机成为必然趋势。由于非晶合金带材薄、脆、硬，而且磁性能对应力非常敏感，因而面临的技术难题是研发一种经济的非晶铁心加工方法或者设计出不用切割的非晶合金铁心[9]。

[1]卢志超，李德仁，周少雄.非晶、纳米晶合金的国内外发展概况及应用展望[J].新材料产业，2002(3):20-23.

[2]周少雄，陈文智.非晶态合金材料的发展现状及在配电变压器中的应用[J].新材料产业，2010(3)：39-43.

[3]张卫国.非晶合金变压器铁心技术及发展前景[J].新材料产业，2011(7)：6-9.

[4]詹捷，孙智富，陈元芳.铁基非晶态合金在制造业中的应用[J].现代制造工程，2002(10)：5-6.

[5]魏丹丹，陈庆军，高霁雯，等.铁基大块非晶合金的发展现状[J] .稀有材料金属与工程，2009，38(A1):80-85.

[6]朱英浩.推广非晶铁芯配电变压器是节能的重大举措[J].电力设备，2000,1(1)：7-8.

[7]李健靓，卢志超，李德仁,等.非晶态合金及其在配电变压器中的应用进展[J].科技导报,2007,25(2)：71-76.

[8]陈国钧，涂国超，吕玮.非晶纳米晶软磁材料在高效电机中的应用[J].磁性材料及器件，2012,43(2)：1-5,7.

[9]张广强，周少雄，王立军,等.非晶电机的优势及其研究进展[J].微特电机，2011,39(3)：73-75,78.

[编辑] 李启栋

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.042

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1673-1409(2012)10-N134-02