应用非晶纳米晶软磁材料促进电子变压器的小型化

张甫飞

（上海至高非晶金属有限公司，上海200090）

摘 要：扼要介绍非晶纳米晶软磁材料的发展、特性及其在电子变压器中的应用和应当注意的若干问题。

1前言
随着电子技术的不断发展，有源器件的进步，电子产品的体积和重量大大减少，这就推动了包括电子变压器在内的电子元器件向轻、薄、小的方向发展。电子变压器的生产工艺面临一场巨大的变革，电子变压器向高频化、低损耗、重量轻、体积小方向发展是必然的趋势，作为电子变压器核心部件的软磁铁芯将是这场变革的关键元件，因而推广应用具有高饱和磁感、高初始磁导率和高频低损耗非晶纳米晶软磁合金材料用作电子变压器磁芯将大大促进电子变压器的小型化，满足电子行业的发展需要。
目前，随着纳米科学技术和快淬技术的发展，各种新型纳米材料，如纳米晶粉未材料、纳米薄膜材料和纳米颗粒膜材料等不断问世，这些新型纳米材料一旦产业化，将大大促进电子变压器向高频、小型化、片式化方向发展。
2非晶纳米晶软磁合金材料的生产及性能
非晶合金是20世纪70年代问世的一种新型合金材料，它是采用国际先进的超急冷技术将液态金属以1×106℃/秒冷却速度直接冷却，形成厚度为0.02mm～0.04mm的固体薄带，得到原子排列组合上具有短程有序、长程无序特点的非晶合金组织，不具备传统金属材料的晶体结构，因此它具有与传统材料不同的性能特点，如优异的软磁性能、耐蚀性、耐磨性、高硬度、高强度、高电阻率等。由于它的性能优异，生产工艺简单，20世纪80年代以来成为国内外材料科学界研究开发和应用的重点，不仅研制出用于电子工业的软磁材料，而且还开发出其他用途的合金材料，如钎焊材料、催化剂、结构材料等。80年代未期，材料学者又在非晶化基础上研制出纳米晶软磁合金材料，该材料具有更优异的软磁性能。目前，非晶纳米晶软磁合金材料家族主要有铁基非晶、铁镍基非晶、钴基非晶和铁基纳米晶合金等4大类，有关磁性能如表1、图1和图2所示。
从表1、图1和图2可知，非晶纳米晶合金材料用作电子变压器磁芯可以有效促进其小型化，与传统的软磁材料相比，具有明显的优势。冷轧硅钢的饱和磁感高，但由于其有效磁导率低，高频损耗大，使用频率达不到kHz频段，即使使用极薄硅钢仍达不到铁基非晶的损耗水平；铁氧体材料的价格低廉，但由于其居里温度低，在100℃以上时的饱和磁感已经很低，因此其使用温度受到限制，再者，其饱和磁感低于0.5T，制造大功率磁芯时需要较大的体积。至于坡莫合金，尽管其磁性能好，可与非晶纳米晶材料相比美，但由于它含有50％以上的镍，成本高，加工工艺复杂，获得用于高频环境下的极薄带的价格昂贵，两者的性能价格比是不可比的。




图1几种软磁合金的μe－Bs性能




图2几种软磁合金在kHz频段的特性对比

目前，国内企业受到非晶纳米晶合金材料制造工艺装备的限制，该合金薄带还存在冲压、剪切加工及价格等问题，但是随着快淬技术的发展和产品应用的扩大，以及通过技术引进和技术改造等，这些问题会在不太远的将来得到解决。
3非晶纳米晶合金材料在电子变压器中的应用
一般来讲，电子变压器对铁芯材料的主要要求是：（1）高的饱和磁感；（2）尽可能低的高频损耗；（3）高的初始磁导率；（4）高的居里温度和良好的温度稳定性；（5）环境稳定性好，对应力不敏感；（6）有些用途如脉冲变压器还要求高的矩形比或低Br。非晶纳米晶软磁合金材料由于其带厚和电阻率等因素决定在50kHz～1000kHz范围内（通常在几百kHz以下）能达到上述性能要求，使得非晶纳米合金在这一频段的内开发应用非常活跃，已研制成各种各样的磁芯器件，广泛应用于电力工业、电子工业及电力电子器件领域，用作电流互感器、开关电源、逆变电源和程控交换机电源的变压器、电抗器、滤波器以及抗EMI器件等。
本人认为，在以下几个方面目前还存在推广应用市场：
（1）替代极薄硅钢产品，从上海钢研所极薄硅钢产品的市场需求知道，极薄硅钢（厚度<0.1mm）在20世纪70年代大量用于400Hz以上各种电子元件如高频变压器、电抗器、磁屏蔽等，目前这方面的市场需求较大，但供方难以满足需要，用非晶纳米晶合金材料替代，不仅可以提高产品性能、质量和促使小型化，而且价格上也有利可图。
（2）高磁导率和大功率磁芯器件，由于国内铁氧体生产设备和技术条件的限制，高磁导率、高性能、大功率铁氧体难以满足国内市场需求，如采用非晶纳米晶材料取而代之，可以促使一些电子设备国产化、小型化。

表1几种常用软磁材料的磁性能

　
铁基非晶合金
冷轧硅钢
铁镍基非晶
钴基非晶合金
铁基纳米晶合金
坡莫合金
软磁铁氧体

饱和磁感应强度/T
>1.5
2.0
>0.7
0.5～0.8
>1.2
0.5～1.5
<0.5

居里温度/℃
>415
730
>250
>320
>560
>400
<230

晶化温度/℃
>550
　
>410
>480
>510
　
　

电阻率/μΩ－cm
140
50
125
140
90
55
>106

密度/(g/cm3)
7.18
7.65
7.5
8.0
7.25
8～8.8
4.8

硬度/(hg/mm2)
860
　
640
900
880
120
600

饱和磁致伸缩系数/×10－6
20～30
27
12
0
1～2
0～25
14

初始导磁率
>1000
1000
>4000
>30000
>80000
>10000
2000

最大导磁率
>200000
>10000
>200000
>200000
>2000000
>200000
　

矫顽力(A/m)
<3
>8.0
<0.8
<2.0
<2.0
>0.4
20

铁损/(W/kg)
P1/50=0.07P1
/400=1.2
P1/50>0.3P1
/400=5.8
P0.2/20k<20
P0.2/20k<5
P0.2/20k
<10
P0.2/
20k=13
P0.2/
20k<20


注：铁损的表示方法：如P1/50表示频率为50Hz，磁通密度为1T的铁损。

（3）工作环境温度高和环境恶劣等的一些电子产品，如油田钻探、海洋探测等特殊环境使用的电子产品用的各种磁性器件，选用非晶纳米晶合金材料制作，可以物尽其用，避免选材上的困扰。
（4）航空、航天等军工产品用的各种磁性器件需要小而轻、温度稳定性好、磁性要求高，使用非晶纳米晶合金材料远优于其他软磁材料。
（5）高频、大电流、大功率电源变压器、电抗器、滤波器等器件的小型化，目前这些器件大都采用铁氧体或冷轧硅钢，工作频率f=20kHz，工作磁感B=0.2T～0.3T，如采用非晶纳米晶合金磁芯，可将工作频率提高到f=40kHz～50kHz，工作磁感B=0.5T～0.6T，可以大大减小磁芯器件的体积和尺寸。
　　（6）各种抗EMI器件、噪声抑制器和尖峰抑制器。
4非晶纳米晶合金应用中值得注意的几个问题
虽然非晶纳米晶合金在我国已有近20年的应用历史，但仍有不少使用者对这类材料的应用有些疑虑，本人认为有必要说明。
4．1非晶纳米晶合金的时效稳定性
非晶合金是从液态金属急冷形成的，处于热力学亚稳定态，有向晶态转变的趋势。一旦发生严重晶化，合金的磁性能将不复存在，故此有人担心非晶纳米晶合金铁芯使用中会因时效导致性能恶化。但实际上这种担心是多余的，一方面晶化发生在非晶晶化温度（>350℃）以上，而在实际使用中，电子器件的工作温度不超过200℃，另一方面非晶纳米晶合金铁芯使用前均经过300℃、1小时以上的退火热处理，结构已相当稳定，国内外这类铁芯20余年的应用历史也表明不会发生时效而导致性能变化。
4．2非晶纳米晶合金的温度稳定性
由表1可知，非晶纳米晶合金的居里温度为300℃～560℃，远高于铁氧体等软磁材料。实际用于军工产品的温度试验结果也表明，在－55℃～150℃范围内，非晶纳米晶合金磁性能的变化在5％～10％，满足其性能要求，而且这种变化是随温度而完全可逆的。因此该类合金材料具有良好的温度稳定性。
4．3非晶纳米晶合金的耐冲击振动
非晶纳米晶合金制成的磁性器件的耐冲击振动性能非常可靠。早期的非晶纳米晶合金制品主要应用于军工产品，这些电子产品都需要进行严酷的耐冲击振动试验，有的高达30g～50g，一般都是在铁芯装盒灌封后单独或随整机进行试验，均未发生性能恶化问题。对于民品，更不存在耐冲击振动问题。
4．4非晶纳米晶合金铁芯的规格标准化
目前，大多数情况下非晶纳米晶铁芯用以替代其他软磁材料如硅钢、坡莫合金和铁氧体，这种先入为主的原则决定了非晶纳米晶合金铁芯的规格标准只能参照借用其它铁芯规格标准，满足用户使用要求。好在大多数这类铁芯都是合金薄带卷绕制成的，工艺简便，铁芯尺寸灵活性大，可以依据用户要求的尺寸规格来加工制造。当然非晶纳米晶合金的磁性能与其它材料不同，不能完全照搬其它材料铁芯的规格标准，有时需要稍作调整。
5非晶纳米晶软磁合金材料的发展
随着纳米科学技术和快淬技术的迅速发展，非晶纳米晶软磁合金材料也在不断进步，不仅现已产业化的薄带产品性能和质量大大提高，而且还在研制开发非晶纳米晶合金粉末及粉末制品、薄膜材料、复合材料等，这些新型纳米材料的研制开发及产业化将对电子变压器行业产生极大的潜在影响。作者认为以下几个方面值得电子变压器行业的同仁们关注。
5．1非晶纳米晶合金薄带脆性大大改善
近年来，国外非晶薄带生产企业已完全解决了非晶制带的技术关键，生产出高性能、高质量的合金薄带，达到可以剪切加工。国内企业积极进行技术改造，基本解决非晶制带的技术关键，一旦实现真正产业化，电子变压器界的同仁们所担心的冲剪问题就不存在了。
5．2非晶纳米晶合金粉末及粉末制品的开发应用
非晶纳米晶合金粉末及粉末制品的研究开发拓宽了该类合金材料在电子技术领域的应用，用作各种高频电源的滤波电感、贮能电感和PFC技术中电感器件的磁粉芯产品已经产业化、系列化，其磁导率μe在100以内，基本满足高频电感器件的需要。
由于目前非晶纳米晶合金粉末大多是以非晶薄带破碎制粉，在粉末制备及纳米晶化处理方面存在一些问题，难以采用常规粉末冶金工艺解决，如非晶粉末颗粒硬而扁平，成形加工难等。但如借助纳米科学技术及快速凝固技术有可能获得球形或近球形非晶纳米晶粉末颗粒，这对粉末制品的制备很有利，且可以大大提高粉末磁芯性能。这类材料的研发在电子变压器行业至少存在下列潜在应用市场：（1）电子变压器用粉末磁芯，国外已有磁导率μe达到6000的粉末铁芯的报道，如这类粉末铁芯用作电子变压器磁芯，就像目前铁氧体生产那样制备粉末铁芯，但其性能远远优于铁氧体材料，其影响可想而知。（2）纳米磁性液体的磁介质，纳米磁性液体用作电子变压器磁芯的研究开发工作正在引人关注，非晶纳米晶合金具有优异的软磁特性，加工成粉末不可能改变其本征磁性能，因而成为非晶纳米晶合金等。
5．3非晶纳米晶薄膜材料
非晶纳米晶薄膜材料的生产方法不同于我们现在使用的快淬技术，但作为对未来电子变压器有着深远影响的新型纳米晶材料，值得同仁们关注。
随着表面安装技术、器件集成化技术和微制造技术的迅速发展，电子设备的小型化、轻量化、薄型化及微型化前进了一大步，实现上述要求的重要手段就是提高它的工作频率。传统软磁铁氧体材料中的电阻率高，但饱和磁感太低，工作频率只能达到5MHz～10MHz，超过这一频率，其晶界将出现部分“短路”，磁芯损耗急剧增加，导致磁性下降，因此超过上述频率后大都使用金属薄膜材料，研究应用新型具有高电阻率和高饱和磁感的薄膜磁芯材料也就有了应用市场，这也为非晶纳米晶薄膜、颗粒膜等材料的开发应用提供了空间。另外，由于目前研制的高电阻率和高饱和磁感的薄膜磁芯材料基本上都是采用溅射或电镀等工艺制备，这些工艺和设备早已应用在大生产中，这也将大大有利于非晶纳米晶薄膜材料、颗粒膜材料等的产业化。