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铁基软磁非晶/纳米晶合金研究进展及应用前景

时间:2018-4-13 16:14:00   来源:变压器市场网   添加人:admin

  编者按

  《铁基软磁非晶/纳米晶合金研究进展及应用前景 》一文回顾了软磁非晶合金的发现和发展历程,介绍了相关基础研究成果和工艺技术进步对铁基软磁非晶/纳米晶合金研发和工业化应用的重要贡献,指出了目前铁基软磁非晶合金研发与应用中面临的挑战和发展方向。上述工作的通信作者为清华大学材料学院的姚可夫教授。

  一、Fe基软磁非晶合金的问世

  1960年,Gubanov通过理论研究认为电子的能带结构主要由原子短程序决定,即铁磁性是由相邻原子的交换耦合作用产生,由此预测Fe基非晶合金具有铁磁性。这为铁基非晶合金可能具有铁磁性提供了理论基础。

  1967年,Duwez等又用急冷方法制备出了Fe80P12.5C7.5非晶合金。通过磁学性能测试,证实了铁基非晶合金具有宏观磁性,尽管矫顽力稍大,但该铁基非晶合金仍为典型的软磁非晶合金材料。这个结果不仅从实验上证实了Gubanov的理论分析结果,也吸引了很多研究人员投入到Fe基软磁非晶合金材料的基础研究与应用研究中。

  二、铁基软磁非晶合金发展历程

  合金熔体旋淬技术的出现为铁基非晶合金的发展带来了机遇,引发了Fe基非晶合金材料基础研究与应用研究的第一个热潮,并使Fe基软磁非晶合金研究得到了快速发展。

  20世纪70年代,基于合金熔体旋淬技术,研究人员研发出了很多新型Fe基软磁非晶合金材料,发现它们多具有较好的软磁性能。另一重要发现是软磁非晶合金制备过程中引入的内应力会显著增大其矫顽力,通过消除制备过程中产生的成分结构不均匀性和内应力, 可以显著降低软磁非晶合金的矫顽力, 降低矫顽力可降低软磁非晶合金的磁滞损耗。研究表明,铁基软磁非晶合金具有优异的软磁性能源于其原子呈长程无序排列的结构特征,而成分、结构的均匀性及内应力等因素均对非晶合金软磁性能有重要影响,这些研究成果为Fe基软磁非晶合金的应用提供了理论依据。

  1979年联信公司开发出可以生产较宽带材的平面流铸造技术, 并于1982年建成带材连续生产企业,软磁非晶合金进入了产业化和商品化时代。1984年,美国四个变压器厂家在IEEE会议上展示了用非晶制造铁芯的实用非晶配电变压器,从而将铁基软磁非晶合金的应用研发推向高潮。

  1988年, Yoshizawa等在FeSiB合金中添加少量Cu和Nb,开发出了Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1非晶合金, 该合金被注册为FINEMET, 而后又开发出了FINEMET系列非晶纳米晶合金。FINEMET合金兼备了铁基非晶合金的高磁感强度和钴基非晶合金的高磁导率、低损耗,并且成本低廉。铁基软磁纳米晶合金的发明是软磁非晶合金材料的一个突破性进展,将铁基非晶态合金研发又推向了一个新高潮—即开启了软磁非晶/纳米晶合金研究与应用的第二个热潮。

  在FINEMET软磁纳米晶合金问世后,日立金属公司很快便实现了产业化。1992年,德国VAC公司开始推出纳米晶合金替代钴基非晶合金,尤其在网络接口设备上,大量采用纳米晶磁芯制作接口变压器和数字滤波器件。1998年, Suzuki等开发了高铁含量的FeZrB非晶纳米晶双相合金体系,并注册为NANOPERM合金。2006年,Ogawa等发明了一种商品名为HB1的铁基非晶合金;2009年,Makino等开发出了Fe-Si-B-P-Cu体系,该铁基软磁非晶/纳米晶合金体系被注册为NANOMET;HB1和NANOMET的出现极大地鼓励了研究人员,引起了铁基软磁非晶合金的第三次研究热潮,即导致了高Bs铁基软磁非晶/纳米晶合金的研究热潮。

  目前,已在工程中大量应用的非晶合金仍然是用于制造变电变压器铁芯的FeSiB铁基软磁非晶合金,在我国的牌号是1K101, 对应的国外牌号是METGLAS 2605SA1合金。

  我国铁基软磁非晶合金研发与应用研究始于1976年,走了一条独立自主的道路。2016年,中国非晶带材产能约14万吨,实际产量约11.3万吨,首次超过10万吨,安泰、云路等企业实际产量均达到或接近3万吨。我国已成为国际铁基软磁非晶/纳米晶合金带材生产和相关产品制造大国。

  目前, 我国正在针对市场需求,开发专用软磁非晶/纳米晶合金材料,进一步拓展应用领域。同时,还瞄准高频高效节能电机等高端产品,开发高性能软磁非晶/纳米晶合金材料和相关产品加工制造核心技术,满足市场和高技术领域发展的需求。

  三、铁磁非晶/纳米晶合金面临的挑战和研发方向

  虽然铁基软磁非晶/纳米晶合金具有矫顽力低、有效磁导率高、铁损低等优点,与传统软磁材料相比,在众多应用中具有明显的优势,但仍存在很多挑战。

  目前铁基软磁非晶/纳米晶合金研发和应用面临的主要挑战及研发方向有以下几个方面:

  非晶合金的脆性问题

  铁基软磁非晶合金、特别是纳米晶合金存在延性低、脆性大的问题,需要深入研究影响其延性的因素,探索提升延性的方法,保证使用安全。

  饱和磁感强度Bs仍偏低,综合磁学性能仍有待进一步提升

  需要进一步研究新工艺或工艺性更好的合金,使合金具有高饱和磁感强度、低的矫顽力和高的磁导率,即获得具有优异综合软磁性能的铁基软磁非晶合金或非晶/纳米晶合金。

  缺乏高效的非晶合金加工技术

  非晶合金/纳米晶合金因硬度高、较脆, 加工较困难,加工效率不高。需要深入研究影响软磁非晶/纳米晶合金加工性能的因素, 探索提高加工效率和保证加工质量的技术方法。

  开发满足不同需求的软磁非晶/纳米晶合金体系

  不同工业产品对软磁非晶合金磁学性能的要求存在很大差异,需要针对不同应用领域、不同产品,开发满足不同产品需要的多种软磁非晶/纳米晶合金体系。

  来源:物理学报 第67卷 第1期 2018年1月 姚可夫、施凌翔、陈双琴、邵洋、陈娜、贾蓟丽《铁基软磁非晶/纳米晶合金研究进展及应用前景》