非晶纳米晶软磁材料与电子变压器
Amorphous and Nanocrystaline Soft Magnetic Materials for Electronic Trans former

1.前 言
随着电子技术的不断发展，有源器件的进步，电子产品体积和重量大为减少，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首当其冲元件，因而推广应用具有高饱和磁感、高初始磁导率和高频损耗低的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末材料、纳米薄膜材料和纳米颗粒膜材料等不断开发出来，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特点简述
非晶合金是20世纪70年代问世的一种新型合金材料，它采用国际先进的超急冷技术将液态金属以1×℃/秒冷却速度直接冷却形成厚度为0.02~0.04mm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，生产工艺独特简单，80年代以来成为国内外材料科学界研究开发应用重点，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合金材料如钎焊材料、催化剂、结构材料等。80年代末期，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四大类，有关磁性能参见表1、图1和图2。


图1 几种软磁合金的μe-Bs性能相比

图2 几种软磁合金在kHz频段的特性对比
从表1、图1和图2可知，非晶纳米晶合金材料用作为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且价格高；铁氧体材料价格低廉，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0.6T，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妣美，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价格昂贵，两者性能价格比是不可比的。
目前，国内企业受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，但随着快淬技术的发展、产品应用的扩大及通过技术引进和技术创新等，这些问题会在不太远将来得到解决。
3．非晶纳米晶合金材料在电子变压器中的应用
一般来讲，电子变压器对其铁芯材料主要有以下要求：（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Br/Bs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50~1000kHz范围内（通常在几百kHz以下）能达到上述性能要求，这使得非晶纳米晶合金目前在这一频段内开发应用非常活跃，已研制成各种各样的磁性器件广泛应用于电力工业、电子工业及电力电子领域，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。
作者认为目前在以下几个方面存在推广应用市场：
（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，目前这方面市场需求较大，但供方难以满足市场需要，使用非晶纳米晶合金材料替代之，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、技术条件限制，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。
（3）．工作环境温度高和环境恶劣等的电子产品，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，这些器件需要小而轻、温度稳定性好、磁性能要求高，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=0.2-0.3T，如采用非晶纳米晶合金磁芯， 将工作频率提高到f=40~50kHz，工作磁感B=0.5-0.6T，可以大大减小磁芯器件的体积和尺寸。
（6）．高精度精密互感器用磁芯，随着电力工业的发展，高精度计量用的精密电流互感器、精密电压互感器及检流计等需要采用高性能的磁性铁芯，传统的硅钢材料已无法满足其性能要求，只能选用铁基纳米晶合金和坡莫合金材料，两者的性价比是不言而愈的。
（7）．各种抗EMI器件、可饱和电抗器、尖峰抑制器和噪音抑制器等。
4．非晶纳米晶合金应用中值得说明的几个问题
虽然非晶纳米晶合金在我国已有20余年的应用历史，但仍有不少使用者对这类材料应用有些疑虑，本人认为有必要在此说明一下：
（1）．非晶纳米晶合金的时效稳定性问题
非晶合金是从液态金属急冷而形成的，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，一方面晶化要发生在非晶晶化温度(>350℃)以上，而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℃一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。
（2）．非晶纳米晶合金合金的温度稳定性问题
由表1可知非晶纳米晶合金居里温度为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，而且这种变化随温度是可逆的。因此该类合金材料具有良好的温度稳定性。
（3）．非晶纳米晶合金的耐冲击振动问题
非晶纳米晶合金制成的磁性器件的耐冲击振动性能是非常可靠的。非晶纳米晶合金制品已成功应用于军工产品，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，一般都是在铁芯装盒灌封后单独或随整机进行试验， 均未发生过性能恶化问题。对于民品来讲更不会存在耐冲击振动问题。
（4）．非晶纳米晶合金铁芯的规格标准化问题
目前， 非晶纳米晶铁芯制品大多数情况下是用来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他材料不同，不能完全照搬其它材料铁芯的规格标准，有时也需要稍作调整。
4.值得关注的非晶纳米晶软磁合金材料研究进展
非晶纳米晶软磁合金材料随着纳米科学技术和快淬技术迅速发展，不仅现已产业化的薄带产品性能、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同仁们关注：
（1）.非晶纳米晶合金薄带脆性大大改善
近些年来国外非晶薄带生产企业已完全解决非晶制带技术关键，生产出高性能高质量合金薄带，达到可以剪切加工。国内企业积极进行技术改造和技术进步，基本解决非晶制带技术关键，一旦实现真正产业化突破，电子变压器同仁们所担心的冲剪问题就不存在了。
（2）.非晶纳米晶合金粉末及粉末制品开发应用
非晶纳米晶合金粉末及粉末制品研究开发拓宽了该类合金材料在电子技术领域，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思路解决，如非晶粉末颗粒硬而扁平，成形加工难等。但如借助于纳米科学技术及快速凝固技术是有可能获得球形或近球形非晶纳米晶粉末颗粒，这对粉末制品制备大大有利，且可以大大提高粉末磁芯性能。这类材料研究开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粉末铁芯的研究报道，如这类粉末铁芯用作电子变压器磁芯，就可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受人关注。
（3）.非晶纳米晶薄膜材料
非晶纳米晶薄膜材料虽然其生产制备方法不同于我们现在使用快淬技术，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迅速发展，把电子设备的小型化、轻量化、薄型化及微型化向前推进了一大步，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虽然其电阻率高，但饱和磁感太低，工作频率只能到5~10MHz，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，因而超过上述频率后大都使用金属薄膜材料，研究开发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于工业大生产中，这也将大大有利于非晶纳米晶薄膜材料、颗粒膜材料等产业化。