摘要：扼要介紹非晶納米晶軟磁材料的發(fā)展、特性及其在電子變壓器中的應(yīng)用和應(yīng)當(dāng)注意的若干問題。
　　 1前言
　　隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，有源器件的進(jìn)步，電子產(chǎn)品的體積和重量大大減少，這就推動(dòng)了包括電子變壓器在內(nèi)的電子元器件向輕、雹小的方向發(fā)展。電子變壓器的生產(chǎn)工藝面臨一場巨大的變革，電子變壓器向高頻化、低損耗、重量輕、體積小方向發(fā)展是必然的趨勢，作為電子變壓器核心部件的軟磁鐵芯將是這場變革的關(guān)鍵元件，因而推廣應(yīng)用具有高飽和磁感、高初始磁導(dǎo)率和高頻低損耗非晶納米晶軟磁合金材料用作電子變壓器磁芯將大大促進(jìn)電子變壓器的小型化，滿足電子行業(yè)的發(fā)展需要。
　　目前，隨著納米科學(xué)技術(shù)和快淬技術(shù)的發(fā)展，各種新型納米材料，如納米晶粉未材料、納米薄膜材料和納米顆粒膜材料等不斷問世，這些新型納米材料一旦產(chǎn)業(yè)化，將大大促進(jìn)電子變壓器向高頻、小型化、片式化方向發(fā)展。
　　 2非晶納米晶軟磁合金材料的生產(chǎn)及性能
　　非晶合金是20世紀(jì)70年代問世的一種新型合金材料，它是采用國際先進(jìn)的超急冷技術(shù)將液態(tài)金屬以1×106℃/秒冷卻速度直接冷卻，形成厚度為0.02
　　 mm～0.04mm的固體薄帶，得到原子排列組合上具有短程有序、長程無序特點(diǎn)的非晶合金組織，不具備傳統(tǒng)金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)，因此它具有與傳統(tǒng)材料不同的性能特點(diǎn)，如優(yōu)異的軟磁性能、耐蝕性、耐磨性、高硬度、高強(qiáng)度、高電阻率等。由于它的性能優(yōu)異，生產(chǎn)工藝簡單，20世紀(jì)80年代以來成為國內(nèi)外材料科學(xué)界研究開發(fā)和應(yīng)用的重點(diǎn)，不僅研制出用于電子工業(yè)的軟磁材料，而且還開發(fā)出其他用途的合金材料，如釬焊材料、催化劑、結(jié)構(gòu)材料等。80年代未期，材料學(xué)者又在非晶化基礎(chǔ)上研制出納米晶軟磁合金材料，該材料具有更優(yōu)異的軟磁性能。目前，非晶納米晶軟磁合金材料家族主要有鐵基非晶、鐵鎳基非晶、鈷基非晶和鐵基納米晶合金等4大類，有關(guān)磁性能如表1、圖1和圖2所示。
　　從表1、圖1和圖2可知，非晶納米晶合金材料用作電子變壓器磁芯可以有效促進(jìn)其小型化，與傳統(tǒng)的軟磁材料相比，具有明顯的優(yōu)勢。冷軋硅鋼的飽和磁感高，但由于其有效磁導(dǎo)率低，高頻損耗大，使用頻率達(dá)不到kHz頻段，即使使用極薄硅鋼仍達(dá)不到鐵基非晶的損耗水平；鐵氧體材料的價(jià)格低廉，但由于其居里溫度低，在100℃以上時(shí)的飽和磁感已經(jīng)很低，因此其使用溫度受到限制，再者，其飽和磁感低于0.5T，制造大功率磁芯時(shí)需要較大的體積。至于坡莫合金，盡管其磁性能好，可與非晶納米晶材料相比美，但由于它含有50％以上的鎳，成本高，加工工藝復(fù)雜，獲得用于高頻環(huán)境下的極薄帶的價(jià)格昂貴，兩者的性能價(jià)格比是不可比的。
　　
　　圖1幾種軟磁合金的μe－Bs性能
　　
　　圖2幾種軟磁合金在kHz頻段的特性對比
　　目前，國內(nèi)企業(yè)受到非晶納米晶合金材料制造工藝裝備的限制，該合金薄帶還存在沖壓、剪切加工及價(jià)格等問題，但是隨著快淬技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品應(yīng)用的擴(kuò)大，以及通過技術(shù)引進(jìn)和技術(shù)改造等，這些問題會在不太遠(yuǎn)的將來得到解決。
　　 3非晶納米晶合金材料在電子變壓器中的應(yīng)用
　　一般來講，電子變壓器對鐵芯材料的主要要求是：（1）高的飽和磁感；（2）盡可能低的高頻損耗；（3）高的初始磁導(dǎo)率；（4）高的居里溫度和良好的溫度穩(wěn)定性；（5）環(huán)境穩(wěn)定性好，對應(yīng)力不敏感；（6）有些用途如脈沖變壓器還要求高的矩形比或低Br。非晶納米晶軟磁合金材料由于其帶厚和電阻率等因素決定在50kHz～1000kHz范圍內(nèi)（通常在幾百kHz以下）能達(dá)到上述性能要求，使得非晶納米合金在這一頻段的內(nèi)開發(fā)應(yīng)用非常活躍，已研制成各種各樣的磁芯器件，廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)、電子工業(yè)及電力電子器件領(lǐng)域，用作電流互感器、開關(guān)電源、逆變電源和程控交換機(jī)電源的變壓器、電抗器、濾波器以及抗EMI器件等。
　　本人認(rèn)為，在以下幾個(gè)方面目前還存在推廣應(yīng)用市場：
　　（1）替代極薄硅鋼產(chǎn)品，從上海鋼研所極薄硅鋼產(chǎn)品的市場需求知道，極薄硅鋼（厚度<0.1mm）在20世紀(jì)70年代大量用于400Hz以上各種電子元件如高頻變壓器、電抗器、磁屏蔽等，目前這方面的市場需求較大，但供方難以滿足需要，用非晶納米晶合金材料替代，不僅可以提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量和促使小型化，而且價(jià)格上也有利可圖。
　?。?）高磁導(dǎo)率和大功率磁芯器件，由于國內(nèi)鐵氧體生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)條件的限制，高磁導(dǎo)率、高性能、大功率鐵氧體難以滿足國內(nèi)市場需求，如采用非晶納米晶材料取而代之，可以促使一些電子設(shè)備國產(chǎn)化、小型化。
　　表1幾種常用軟磁材料的磁性能鐵基非晶合金冷軋硅鋼鐵鎳基非晶鈷基非晶合金鐵基納米晶合金坡莫合金軟磁鐵氧體飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度/T>1.52.0>0.70.5～0.8>1.20.5～1.5<0.5居里溫度/℃>415730>250>320>560>400<230晶化溫度/℃>550>410>480>510電阻率/μΩ－cm140501251409055>106密度/(g/cm3)7.187.657.58.07.258～8.84.8硬度/(hg/mm2)860640900880120600飽和磁致伸縮系數(shù)/×10－620～30271201～20～2514初始導(dǎo)磁率>10001000>4000>30000>80000>100002000最大導(dǎo)磁率>200000>10000>200000>200000>2000000>200000矯頑力(A/m)<3>8.0<0.8<2.0<2.0>0.420鐵損/(W/kg)P1/50=0.07P1/400=1.2P1/50>0.3P1/400=5.8P0.2/20k<20P0.2/20k<5P0.2/20k<10P0.2/20k=13P0.2/20k<20注：鐵損的表示方法：如P1/50表示頻率為50Hz,磁通密度為1T的鐵損。
　?。?）工作環(huán)境溫度高和環(huán)境惡劣等的一些電子產(chǎn)品，如油田鉆探、海洋探測等特殊環(huán)境使用的電子產(chǎn)品用的各種磁性器件，選用非晶納米晶合金材料制作，可以物盡其用，避免選材上的困擾。
　　（4）航空、航天等軍工產(chǎn)品用的各種磁性器件需要小而輕、溫度穩(wěn)定性好、磁性要求高，使用非晶納米晶合金材料遠(yuǎn)優(yōu)于其他軟磁材料。
　　（5）高頻、大電流、大功率電源變壓器、電抗器、濾波器等器件的小型化，目前這些器件大都采用鐵氧體或冷軋硅鋼，工作頻率f=20kHz，工作磁感B=0.2T～0.3T，如采用非晶納米晶合金磁芯，可將工作頻率提高到f=40kHz～50kHz,工作磁感B=0.5T～0.6T，可以大大減小磁芯器件的體積和尺寸。
　?。?）各種抗EMI器件、噪聲抑制器和尖峰抑制器。
　　 4非晶納米晶合金應(yīng)用中值得注意的幾個(gè)問題
　　雖然非晶納米晶合金在我國已有近20年的應(yīng)用歷史，但仍有不少使用者對這類材料的應(yīng)用有些疑慮，本人認(rèn)為有必要說明。
　　 4．1非晶納米晶合金的時(shí)效穩(wěn)定性
　　非晶合金是從液態(tài)金屬急冷形成的，處于熱力學(xué)亞穩(wěn)定態(tài)，有向晶態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢。一旦發(fā)生嚴(yán)重晶化，合金的磁性能將不復(fù)存在，故此有人擔(dān)心非晶納米晶合金鐵芯使用中會因時(shí)效導(dǎo)致性能惡化。但實(shí)際上這種擔(dān)心是多余的，一方面晶化發(fā)生在非晶晶化溫度（>350℃）以上，而在實(shí)際使用中，電子器件的工作溫度不超過200℃，另一方面非晶納米晶合金鐵芯使用前均經(jīng)過300℃、1小時(shí)以上的退火熱處理，結(jié)構(gòu)已相當(dāng)穩(wěn)定，國內(nèi)外這類鐵芯20余年的應(yīng)用歷史也表明不會發(fā)生時(shí)效而導(dǎo)致性能變化。
　　
　　4．2非晶納米晶合金的溫度穩(wěn)定性
　　由表1可知，非晶納米晶合金的居里溫度為300℃～560℃，遠(yuǎn)高于鐵氧體等軟磁材料。實(shí)際用于軍工產(chǎn)品的溫度試驗(yàn)結(jié)果也表明，在－55℃～150℃范圍內(nèi)，非晶納米晶合金磁性能的變化在5％～10％，滿足其性能要求，而且這種變化是隨溫度而完全可逆的。因此該類合金材料具有良好的溫度穩(wěn)定性。
　　 4．3非晶納米晶合金的耐沖擊振動(dòng)
　　非晶納米晶合金制成的磁性器件的耐沖擊振動(dòng)性能非常可靠。早期的非晶納米晶合金制品主要應(yīng)用于軍工產(chǎn)品，這些電子產(chǎn)品都需要進(jìn)行嚴(yán)酷的耐沖擊振動(dòng)試驗(yàn)，有的高達(dá)30g～50g，一般都是在鐵芯裝盒灌封后單獨(dú)或隨整機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，均未發(fā)生性能惡化問題。對于民品，更不存在耐沖擊振動(dòng)問題。
　　 4．4非晶納米晶合金鐵芯的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化
　　目前，大多數(shù)情況下非晶納米晶鐵芯用以替代其他軟磁材料如硅鋼、坡莫合金和鐵氧體，這種先入為主的原則決定了非晶納米晶合金鐵芯的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)只能參照借用其它鐵芯規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，滿足用戶使用要求。好在大多數(shù)這類鐵芯都是合金薄帶卷繞制成的，工藝簡便，鐵芯尺寸靈活性大，可以依據(jù)用戶要求的尺寸規(guī)格來加工制造。當(dāng)然非晶納米晶合金的磁性能與其它材料不同，不能完全照搬其它材料鐵芯的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，有時(shí)需要稍作調(diào)整。
　　 5非晶納米晶軟磁合金材料的發(fā)展
　　隨著納米科學(xué)技術(shù)和快淬技術(shù)的迅速發(fā)展，非晶納米晶軟磁合金材料也在不斷進(jìn)步，不僅現(xiàn)已產(chǎn)業(yè)化的薄帶產(chǎn)品性能和質(zhì)量大大提高，而且還在研制開發(fā)非晶納米晶合金粉末及粉末制品、薄膜材料、復(fù)合材料等，這些新型納米材料的研制開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化將對電子變壓器行業(yè)產(chǎn)生極大的潛在影響。作者認(rèn)為以下幾個(gè)方面值得電子變壓器行業(yè)的同仁們關(guān)注。
　　 5．1非晶納米晶合金薄帶脆性大大改善
　　近年來，國外非晶薄帶生產(chǎn)企業(yè)已完全解決了非晶制帶的技術(shù)關(guān)鍵，生產(chǎn)出高性能、高質(zhì)量的合金薄帶，達(dá)到可以剪切加工。國內(nèi)企業(yè)積極進(jìn)行技術(shù)改造，基本解決非晶制帶的技術(shù)關(guān)鍵，一旦實(shí)現(xiàn)真正產(chǎn)業(yè)化，電子變壓器界的同仁們所擔(dān)心的沖剪問題就不存在了。
　　 5．2非晶納米晶合金粉末及粉末制品的開發(fā)應(yīng)用
　　非晶納米晶合金粉末及粉末制品的研究開發(fā)拓寬了該類合金材料在電子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，用作各種高頻電源的濾波電感、貯能電感和PFC技術(shù)中電感器件的磁粉芯產(chǎn)品已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化、系列化，其磁導(dǎo)率μe在100以內(nèi)，基本滿足高頻電感器件的需要。
　　由于目前非晶納米晶合金粉末大多是以非晶薄帶破碎制粉，在粉末制備及納米晶化處理方面存在一些問題，難以采用常規(guī)粉末冶金工藝解決，如非晶粉末顆粒硬而扁平，成形加工難等。但如借助納米科學(xué)技術(shù)及快速凝固技術(shù)有可能獲得球形或近球形非晶納米晶粉末顆粒，這對粉末制品的制備很有利，且可以大大提高粉末磁芯性能。這類材料的研發(fā)在電子變壓器行業(yè)至少存在下列潛在應(yīng)用市場：（1）電子變壓器用粉末磁芯，國外已有磁導(dǎo)率μe達(dá)到6000的粉末鐵芯的報(bào)道，如這類粉末鐵芯用作電子變壓器磁芯，就像目前鐵氧體生產(chǎn)那樣制備粉末鐵芯，但其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鐵氧體材料，其影響可想而知。（2）納米磁性液體的磁介質(zhì)，納米磁性液體用作電子變壓器磁芯的研究開發(fā)工作正在引人關(guān)注，非晶納米晶合金具有優(yōu)異的軟磁特性，加工成粉末不可能改變其本征磁性能，因而成為非晶納米晶合金等。
　　 5．3非晶納米晶薄膜材料
　　非晶納米晶薄膜材料的生產(chǎn)方法不同于我們現(xiàn)在使用的快淬技術(shù)，但作為對未來電子變壓器有著深遠(yuǎn)影響的新型納米晶材料，值得同仁們關(guān)注。
　　隨著表面安裝技術(shù)、器件集成化技術(shù)和微制造技術(shù)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備的小型化、輕量化、薄型化及微型化前進(jìn)了一大步，實(shí)現(xiàn)上述要求的重要手段就是提高它的工作頻率。傳統(tǒng)軟磁鐵氧體材料中的電阻率高，但飽和磁感太低，工作頻率只能達(dá)到5MHz～10MHz，超過這一頻率，其晶界將出現(xiàn)部分“短路”，磁芯損耗急劇增加，導(dǎo)致磁性下降，因此超過上述頻率后大都使用金屬薄膜材料，研究應(yīng)用新型具有高電阻率和高飽和磁感的薄膜磁芯材料也就有了應(yīng)用市場，這也為非晶納米晶薄膜、顆粒膜等材料的開發(fā)應(yīng)用提供了空間。另外，由于目前研制的高電阻率和高飽和磁感的薄膜磁芯材料基本上都是采用濺射或電鍍等工藝制備，這些工藝和設(shè)備早已應(yīng)用在大生產(chǎn)中，這也將大大有利于非晶納米晶薄膜材料、顆粒膜材料等的產(chǎn)業(yè)化。