我國非晶合金產品開發(fā)現(xiàn)狀及應用前景展望

張敬芝

(棗莊學院機電學院，山東 棗莊 277100)

我國非晶合金產品開發(fā)現(xiàn)狀及應用前景展望

張敬芝

(棗莊學院機電學院，山東 棗莊 277100)

介紹了我國非晶合金產品的研制情況，分析了我國非晶合金產品研發(fā)中存在的問題，對我國非晶合金產品的應用前景進行了展望。

高效節(jié)能材料；非晶合金；軟磁材料

非晶合金是利用快速(即106℃/s的冷卻速度)凝固技術形成的特殊材料，與傳統(tǒng)合金相比較，其中間工序及流程大大減少，節(jié)省了大量能源，生產成本大為降低，而且生產過程無污染物排放[1]。同時，作為軟磁材料，非晶合金具有高飽和磁感及低損耗的特點。由于具有上述優(yōu)良特性，世界各國投入大量人力物力進行研究并實現(xiàn)了非晶合金產品的商品化。下面，筆者詳細闡述我國非晶合金產品開發(fā)現(xiàn)狀并對其應用前景進行展望。

1 我國非晶合金產品研制情況

20世紀70年代中期，在國家發(fā)改委和科技部的長期支持下，我國開始對非晶合金材料進行研究。首先是以鋼鐵研究總院和安泰科技股份有限公司為核心骨干研發(fā)的新型軟磁電工材料非晶合金帶材產業(yè)化獲得成功。目前，在基礎研究、材料研究、工藝裝備、應用開發(fā)等核心技術和相關配套技術方面取得了重大的進展，已獲得近200項科研成果[2-3]。“九五”期間建成的千噸級非晶帶材及制品生產線實際年產出非晶合金產品數(shù)千噸，已經應用于電力電子變壓器等多種領域，取得了良好的經濟效益和社會效益。隨著2009年9月萬噸級非晶帶材生產線正式投產，安泰科技股份有限公司成為繼日本日立金屬公司之后全球第2個實現(xiàn)非晶合金帶材產業(yè)化的企業(yè)，從而使我國基本具備了大規(guī)模推廣非晶合金產品的原材料保障能力，到2010年年底，該公司已經具備非晶合金帶材4×104t的年產能[4]。目前，我國利用非晶合金材料研制的產品主要包括帶材制品、鐵芯制品和元件制品。

1.1 非晶合金帶材制品

非晶合金帶材制品分為鐵基非晶帶材及鐵基納米晶帶材2種類型，主要用于制備各種非晶及納米晶鐵芯、非晶絲材以及磁粉芯等。

1.2 非晶合金鐵芯制品

非晶合金鐵芯制品主要包括以下類型[5]：①采用鐵基非晶帶材制造并應用于高頻大功率開關電源及太陽能逆變器中的輸出濾波電抗器及電感鐵芯；②采用鐵基納米晶帶材制造的具有共模噪聲抑制作用EMC共模電感環(huán)形鐵芯；③采用鐵基納米晶帶材制造并用于電力系統(tǒng)的中高壓電流互感器鐵芯；④采用鐵基非晶或納米晶帶材制造并應用于電子電度表、精密功率表中的精密電流小互感器鐵芯；⑤采用鐵基納米晶帶材制造并用于大功率開關電源主變壓器的大功率開關電源變壓器環(huán)形鐵芯；⑥用于漏電保護開關中的A型抗直流漏電鐵芯；⑦采用鐵基非晶帶材制造并用于直流變頻空調、等離子電視等產品中PFC的環(huán)形開口電感鐵芯；⑧采用鐵基納米晶帶材制造并應用于主變壓器、脈沖變壓器、控制變壓器中的小型開關變壓器環(huán)形鐵芯；⑨采用鐵基非晶帶材制造并用于航空變壓器、鐵路控制系統(tǒng)變壓器、機械零件淬火設備變壓器中的各種中頻變壓器鐵芯。

1.3 非晶合金元件制品

非晶合金元件制品主要為大功率高頻變壓器，其應用于高頻開關電源變壓器中。

2 我國非晶合金產品研發(fā)中存在的問題

2.1 非晶合金帶材產能不足

由于節(jié)能效果顯著的非晶合金產品的應用前景非常廣闊，因而對非晶合金材料的需求量巨大。雖然安泰科技股份有限公司已經具有4×104t非晶合金帶材的年產能，但仍無法滿足國內非晶節(jié)能變壓器等對非晶帶材原料的需求。行業(yè)專家預測，在未來5年內，對于非晶帶材的年需求量將達到(1.0～1.5)×105t，這表明存在巨大供需缺口[6]。因此，目前擴大產業(yè)規(guī)模是我國非晶合金帶材制造企業(yè)的當務之急。

2.2 非晶合金產品性能及穩(wěn)定性有待提高

目前，利用國產非晶帶材制造的非晶配電變壓器的性能及穩(wěn)定性還有待提高，因而改善帶材質量性能是我國非晶產業(yè)需要重點關注的問題。應盡早開發(fā)具有更高飽和磁感的新一代鐵基非晶材料，并從合金組成和生產工藝2個方面進一步減緩非晶帶材的退火脆性，改善其工藝加工性能，這對于拓寬非晶合金材料的應用領域具有重要意義。

3 我國非晶合金應用前景展望

非晶合金發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮?個領域分別是智能電網及新能源領域，非晶、納米晶產品主要應用于智能電網中的智能電表、太陽能并網發(fā)電的光伏逆變器和新能源汽車。非晶合金的未來研發(fā)新產品主要有第3代高性能納米晶薄帶(帶厚低于22μm)、高端共模電感鐵芯、高頻功率變壓器鐵芯、C型鐵芯和高效電機非晶定子鐵芯。

智能電表是實施智能電網不可或缺的重要組成部分，隨著智能電網的全面建設，智能電表將逐步替換傳統(tǒng)的普通電表，中國將成為全球最大智能電表消費市場。精密電流互感器是智能電表中的關鍵元件，隨著智能電網的建設，預期10年內每年需求關口智能電表和用戶端智能電表近億塊，而每塊電表需要3只精密電流互感器。因此，隨著智能電表的推廣和大量應用，納米晶互感器鐵芯將面臨著巨大的市場需求。

在太陽能光伏產業(yè)中，非晶C型鐵芯主要用于光伏逆變器中的濾波電感，衡量非晶C型鐵芯性能的主要指標是鐵芯損耗[7]，降低鐵芯損耗對提高光伏逆變器的轉換效率具有重要意義。

非晶材料應用的另一個新興領域是非晶高效電機，非晶高效電機具有高扭矩密度、高效率、小體積、大功率等特點，因而開發(fā)非晶高效電機對于我國工業(yè)電機系統(tǒng)有著巨大的節(jié)能意義。在我國電力消費結構中電機系統(tǒng)用電所占比例高達60%以上，而我國現(xiàn)行主體系列電機的平均運行效率僅為87.6%，而目前國際上采用非晶合金定子鐵芯開發(fā)研制的非晶高效電機，其運行效率可達到95%[8]。由此可見，開發(fā)節(jié)能潛力巨大的非晶高效電機成為必然趨勢。由于非晶合金帶材薄、脆、硬，而且磁性能對應力非常敏感，因而面臨的技術難題是研發(fā)一種經濟的非晶鐵心加工方法或者設計出不用切割的非晶合金鐵心[9]。

[1]盧志超，李德仁，周少雄.非晶、納米晶合金的國內外發(fā)展概況及應用展望[J].新材料產業(yè)，2002(3):20-23.

[2]周少雄，陳文智.非晶態(tài)合金材料的發(fā)展現(xiàn)狀及在配電變壓器中的應用[J].新材料產業(yè)，2010(3)：39-43.

[3]張衛(wèi)國.非晶合金變壓器鐵心技術及發(fā)展前景[J].新材料產業(yè)，2011(7)：6-9.

[4]詹捷，孫智富，陳元芳.鐵基非晶態(tài)合金在制造業(yè)中的應用[J].現(xiàn)代制造工程，2002(10)：5-6.

[5]魏丹丹，陳慶軍，高霽雯，等.鐵基大塊非晶合金的發(fā)展現(xiàn)狀[J] .稀有材料金屬與工程，2009，38(A1):80-85.

[6]朱英浩.推廣非晶鐵芯配電變壓器是節(jié)能的重大舉措[J].電力設備，2000,1(1)：7-8.

[7]李健靚，盧志超，李德仁,等.非晶態(tài)合金及其在配電變壓器中的應用進展[J].科技導報,2007,25(2)：71-76.

[8]陳國鈞，涂國超，呂瑋.非晶納米晶軟磁材料在高效電機中的應用[J].磁性材料及器件，2012,43(2)：1-5,7.

[9]張廣強，周少雄，王立軍,等.非晶電機的優(yōu)勢及其研究進展[J].微特電機，2011,39(3)：73-75,78.

[編輯] 李啟棟

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

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