纳米材料及其在电子变压器中的应用
              Nano Materials and Applications in Electronic Transformor

摘  要：本文介绍纳米科技及纳米材料的含义和内容，以及纳米材料在传统产业中，特别是在电子变压器中的应用。
关键词：纳米科技  纳米材料  电子变压器  应用

1  前言
    纳米科技是指在纳米尺度（1～100nm）上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。纳米科技和生命科学、信息技术、环境科学一起，将成为21世纪四大主要研究领域。纳米科技的发展有三个显著的特点：发展速度快渗透力强，影响面广。由于纳米科技包含着巨大的创新潜力，很有可能和其他学科和技术结合起来，创造出一系列新物质、新工艺、新产品，在21世纪中掀起一场新的产业革命，对生产和生活产生广泛影响。因此，不但在国外，还是在国内都受到政府、研究机构和企业的普遍重视。
    我国纳米科技研究和应用从20世纪80年代就开始起步，从1992年到2000年发展越来越快。到2001年5月底，参加的研究人员超过5000人，参与的企业有323家。“纳米在中国非常热闹”，形成一股“纳米热”。在这样的大形势下，为了规划和促进中国纳米科技的发展，国家科技部高技术研发中心等单位于2001年7月3日至5日在北京联合主办了“2001国际纳米材料高层论坛与技术应用研讨会”，有500多人参加，包括国内外著名的研究机构和公司从事纳米科技的研究、应用的专家、政府官员、国家高新技术开发区负责人及企业和投资机构的代表。国家主席江泽民在2001年7月3日会见了研讨会的部分代表，和他们进行了热烈的讨论，并提出我国纳米科技要进行跨越式发展的要求。这次会议进一步推动了我国纳米科技的发展，形成又一个“纳米热潮”。
    本文作者参加了这次会议。通过本文将自己对纳米科技和纳米材料的含义和内容，纳米材料在传统产业中，特别是在电子变压器中的应用的认识和体会介绍给读者，不对之处，请批评和指正。

2  纳米科技和纳米材料
    纳米科技的研究内容分为三部分：纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。纳米材料是纳米科技的基础，没有纳米材料，就不可能有纳米科技的研究对象，就不可能有纳米科技。因此研究纳米科技，都是从纳米材料入手。而且纳米科技在实际中的应用，也最先在纳米材料这一研究领域中表现出来。所以人们往往产生误解，认为纳米科技只局限于纳米材料的制备、研究和应用。这在纳米科技发展的前期，是比较自然的，也是可以理解的。纳米器件是纳米科技研究的中心内容。纳米科技对人类生活和生产方式的影响深度和广度，在很大程度上取决于纳米器件的研究水平和应用程度。只有纳米器件和由它组成的纳米结构系统（包括纳米计算机，纳米动力源和纳米程序自律化元件和装置等等）得到广泛应用，才有可能说进入纳米时代。纳米时代，是指象当今的信息时代一样，纳米科技象现在信息技术那样对人类生活和生产方式产生广泛而深刻的影响。纳米尺度的检测和表征是进行纳米科技理论和实验研究的工具和手段，是纳米科技的“眼”和“手”。纳米尺度是如此之小，看不见，摸不着，没有工具和系统检测和表征，纳米科技只能是一句空话。现在主要的工具和系统是扫描探针显微镜，包括扫描隧道显微镜，原子力显微镜等。它们作为纳米科技的“眼”，是指利用扫描探针显微镜，可直接观察原子、分子和纳米粒子的相互作用和特性，表征纳米器件。它们作为纳米科技的“手”，是指利用扫描探针显微镜，可移动原子、分子和纳米粒子，构成纳米结构，制造纳米材料和器件。
    现在制造纳米材料和器件有两种方式，一种是“自上而下”方式，通过现在已发展成熟的薄带、细丝、颗粒制造技术和微电子加工技术，不断在尺寸上使产品小型化，而达到纳米尺寸，制造纳米材料和器件。但是即使是微电子加工技术，在2010年前后都将达到极限，因此必须考虑其他加工方式，超越量子效应障碍，提供制造纳米材料和器件的新方法。20世纪50年代末提出另一种“自下而上”方式，在原子和分子尺寸上来加工材料，制造器件，也就是利用化学和生物学技术，以原子和分子为基本单元，进行设计和组装，制造出具有特定功能的纳米材料和器件。这种“自下而上”方式，是一种全新的方式。采用它可能实现纳米科技的最终目标：以原子、分子为起点，设计和制造具有特殊功能的产品。因此受到国内外广泛重视。现在已经可以利用计算机模拟设计，利用化学和生物技术制造出一些具有特定形状和性质的分子装置。
    纳米材料有两个主要特征。一个是只要任何一维空间尺寸达到100纳米以下。包括空间厚度达到100纳米以下的两维材料薄膜，空间厚度和宽度达到100纳米以下的一维材料细丝和三维空间尺寸都达到100纳米以下的零维材料颗粒。那种把纳米材料只认为是单一的粉体颗粒材料的说法，是不全面的。另一个特征是应具有既不同于微观的原子和分子，又不同于宏观物体的奇异性能。为什么纳米材料的尺寸被限制在100纳米以下？就是因为在这个尺寸范围内，各种限域效应引起的各种特性开始有相当明显的变化。导致产生奇异性能的主要限域效应有：比表面效应、小尺寸效应、界面效应和宏观量子效应等。这些效应使纳米材料的力、热、电、磁、光等物理性能与一般材料不同，而出现超常规的力学和功能特性。因此判断和检测某一种材料是不是纳米材料，不单要看它在尺寸上至少有一维空间尺寸达到100纳米以下，而更重要的是看它是否比一般同类材料在主要性能上有没有显著的提高。判断和检测某一种产品是不是纳米产品，也主要的是看它采用纳米材料后，其主要性能，比同类常规产品有没有显著的提高。在这样判断和检测原则下，微晶软磁薄带虽然厚度仍然为40～5微米达不到纳米尺度，但由于其中的晶体尺寸达到100纳米以下，从而使磁性有显著提高，因此也归入纳米材料之内。为了突出“纳米”特点，现在有人把这种材料称为纳米晶软磁材料。

3  纳米材料在传统产业中的应用
    虽然现在纳米科技还处于初级发展阶段，离全面应用的纳米时代还有相当长一段时间，但是并不是纳米科技的所有成果现在都停留在实验室里，市场上没有应用纳米科技开发出来的纳米材料和产品。据国外资料统计，2000年全世界仅纳米材料销售额就达750亿美元，如果包括采用纳米科技的与电子元器件相关的产品，纳米科技市场销售额可达3750亿美元。据美国预测到2010年纳米科技市场将达到14400亿美元，市场潜力巨大。同时，由于纳米材料在改造传统产业方面所表现出来的投入少、见效快、市场前景广阔等特点，在以传统产业为主的我国企业中比较容易推广，因此纳米材料在传统产业中应用，在我们已经取得了一批投入生产和市场的成果。下面举几个纳米材料在传统产业中应用的例子。
   （1）纳米改性纤维，可制成有特殊功能的服装和卫生用品。有采用超疏水性和超疏油性纳米界面材料处理的面料制成的防水油服装；有采用可阻隔95%以上紫外线和电磁波纳米材料改性纤维制成的环保“纳米服装”；有采用特殊纳米颗粒和合成纤维原料共混制成的特殊功能纤维，可发射远红外线，在皮下产生温热效益、改善微循环，促进人体新陈代谢的远红外保暖服装；还有抗菌能力强，吸水性强，透气性好，用纳米改性纤维制成的抗菌卫生巾和卫生护垫等，有些产品已投放市场。
   （2）纳米改性塑料，把纳米材料均匀分散到常规的聚合物中，形成新型的纳米改性塑料，增加强度和韧性，耐热性好，有的还有防菌功能，增加透明度和光泽度，已用于纳米冰箱等家用电器，这种保鲜杀菌的纳米冰箱已畅销国内外。
   （3）纳米改性涂料，采用纳米钛白粉等与树脂化合后合成涂料，不仅增加耐磨性，耐腐性，还具有自洁性，可防止管道和容器内壁结垢，已用于某酒厂热水罐内壁处理，5年内未发现结垢现象。这种涂料在食品、石化和煤矿机械领域中已广泛使用，涂复面积超过10万m2。还有的用于建筑中，可快速固化，性能稳定。
   （4）纳米自洁净玻璃，在平板玻璃两面镀上纳米薄膜，在紫外线作用下可分解沉积在玻璃上的污物，氧化室内害气体，杀灭空气中的各种细菌和病毒。已形成批量生产能力。
   （5）纳米卫生陶瓷，采用纳米复合抗菌材料已在多家卫生陶瓷洁具生产中取得良好的效果，其中一家已形成年产20万件的生产能力。
   (6)纳米水处理技术，采用纳米超高效净水剂、絮凝剂、杀菌消毒剂和相应的设备和工艺，现有的生化法污水处理相比，可节省投资50%，运行费用40%，已在10多家企业使用。
  （7）纳米油处理技术，在润滑油中加入纳米粒子添加剂后，能提高油品的抗摩擦性能，降低能耗，增加机械的使用寿命。
   （8）大功率纳米蓄电池，在蓄电池液中加入纳米添加剂后，使其蓄电能力比普通铅酸电池增加10倍，使用寿命延长到10年，而价格只有锂电池的一半，已在某汽车制造公司中使用。
    但是也应当看到，中国的纳米科技处于初期发展阶段，缺乏纳米科技的技术规范和行业标准，再加上个别人和企业缺乏科学精神和职业道德，给有些人以可乘之机，出现了乱贴“纳米”标签，乱炒“纳米”产品现象，使社会上对纳米科技产生误解，阻碍了纳米材料的应用和推广。在现阶段，生产纳米材料和产品的企业效益并不理想，基本持平的占大多数，盈利的约占40%，亏损的约占15%。为此，国家将采用相应措施，已组织由多学科专家组成的“国家纳米科技指导协调委员会”，将进行纳米科技的评价和制定中国纳米材料行业及产品标准，并建立权威性的国家纳米产品质量检测中心，使纳米产品的生产和销售有章可循，防止假纳米材料和产品的出现，从而规范纳米市场，避免过度炒作和竞争。

4  纳米材料在电子变压器中的应用
4.1  纳米磁性材料，用在电子变压器中的纳米磁性材料分为纳米晶软磁合金，纳米磁性薄膜和磁性纳米复合材料。
    纳米晶软磁合金已经在中高频电源变压器、精密电流互感器、滤波电感器和EMI滤波电感器中得到广泛的应用。用于100W以下小型开关电源变压器的工作频率为100～500kHz。用于1KW以上的大型开关电源变压器工作频率为20～40kHz，已经开发出环型、CD型纳米晶软磁合金磁芯系列产品。饱和磁通密度大于1.25T。损耗在20kHz和0.5T条件下为10～30W/kg，在100kHz和0.2T条件下为50～80W/kg，优于软磁铁氧体。纳米晶软磁合金的初始磁导率高于硅钢，用于电流互感器中，可以达到0.2级、0.1级和0.05级精度。这种电流互感器纳米晶软磁合金磁芯已经大量生产使用。纳米晶软磁合金经过适当处理后，可以在一定范围内保持磁导率基本恒定，同时损耗比磁粉芯小，用于中频和低频滤波电感器是比较理想的材料。纳米晶软磁合金的Bs和μ都优于软磁铁氧体。作为低频电源EMI噪声低通滤波器磁芯，将具有极大的衰减度和噪音抑制功能，是理想的EMI滤波器磁性材料，将发展成为代替软磁铁氧体的主要材料。
    纳米磁性薄膜是在1MHz至10MHz频率范围内电源变压器和电感器的主要磁性材料。我国正在北京和湖南建立薄膜磁性材料的生产基地。纳米磁性薄膜有FeMC(或CoMC)薄膜，商品名Nanomax，现在大量用作磁头材料，预计在1～10MHz开关电源中也将得到应用。还有FeMB薄膜，商品名Nanoperm，可用于1～50MHz开关电源。经过氮化后的FeMN和FeMNo薄膜，电阻率增大，可以达到100MHz工作。因此，纳米磁性薄膜是下一代小型化开关电源主要的磁性材料。
    磁性纳米复合材料是金属和非金属的混合体，有时也称为颗粒磁性薄膜，现在它成为磁学研究中的新动向和新热点。由于软磁铁氧体的颗粒大小受磁畴限制，要减小有困难，所以研究磁性Fe和Co分子级和纳米级颗粒与SiO2和Al2O3等绝缘体混合，制成磁性纳米复合材料，同时具有高磁导率和高电阻率，显示出超过传统软磁铁氧体的优异的高频性能，例如FeHfO材料，在100MHz下，磁导率μ为700～1400，在1000MHz下，仍为700-800，已经用于移动通信用的手机电源中。又如FeMgAgO材料，在200MHz下，磁导率为3000，在500MHz下，仍为800，可用于500MHz至1GHz的电感器中。
4.2  纳米绝缘材料  绝缘材料采用纳米科技改性后，可以提高热传导性能。例如用纳米技术改变环氧树脂的结晶结构，使热传导率比原来提高约5倍，达到0.96W/mK。作为绝缘和封装材料在电子变压器中广泛使用的环氧树脂，存在散热性能差的缺点，有时不得不渗入石英砂，一直成为电子变压器小型化的一个难点，利用纳米科技可以解决这个问题。
4.3  纳米结构材料  作为电子变压器骨架和支持件，插接件结构材料的工程塑料，利用纳米科技改性后，可以增加其强度，耐热性、耐磨性，还可减轻比重，有利于电子变压器产品降低尺寸和产品成果，另一种结构材料高强度钢板，通过将纳米级的氧化铝等粒子均匀分布在金属中，可以提高钢板强度，进行压力加工时也不易开裂，原来80kg/mm2强度的钢板，只能轧到1.8mm厚，现可轧到1.2mm厚，可以减少电子变压器夹件的厚度和成本。

5  结语
    纳米科技和纳米材料是当今最热门的话题，对待它们，应当记住四句话：“纳米科技崭露头角，纳米时代为时尚远，全面理解科技内涵，促进科学健康发展”。既不要头脑发热，认为纳米科技现在已经到了全面应用的纳米时代，又不要态度冷淡，不去应用已经成熟和即将成熟的纳米材料和产品。我相信，纳米材料在电子变压器中的应用将和在传统产业中的应用一样，也具有投入少，见效快，市场前景广阔等特点，一定会使电子变压器行业出现新的变化。

参考文献
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