Позвоните в службу поддержки
+86-795-3241001
2025-10-29
В условиях стремительного развития современной промышленности и электронной техники мягкие магнитные материалы выступают в роли ключевого носителя электромагнитного преобразования энергии и обработки сигналов. Их характеристики напрямую определяют эффективность, габариты и надёжность оборудования.
Железо-основные нанокристаллические сплавы, появившиеся в 1980-е годы как новый тип мягких магнитных материалов, благодаря своей уникальной микроструктуре — аморфная матрица + нанометровые зёрна — обеспечили синергетический прорыв по таким ключевым параметрам, как насыщенная магнитная индукция, магнитная проницаемость и потери.
Сегодня они стали эталоном производительности в таких областях, как новая энергетика, потребительская электроника и интеллектуальные энергосети.
В данной статье подробно рассматриваются: точное управление технологией производства, многомерные преимущества материалов и широкая область применения продукции, что позволяет комплексно раскрыть технологическое ядро и промышленную ценность железо-основных нанокристаллов.
1.Технология производства: прецизионное управление переходом от аморфного состояния к нанокристаллическому
Рабочие характеристики железо-основных нанокристаллов в значительной степени зависят от точности контроля их микроструктуры в процессе изготовления. Основная технология включает два ключевых этапа — быстрое закаливание расплава и отжиг с кристаллизацией, которые дополняются постоянным совершенствованием передовых методов обработки.
(1) Метод быстрого закаливания расплава — искусство «мгновенного замораживания» со скоростью 10⁶ °C/с
Метод быстрого закаливания расплава является основной технологией получения аморфной precursor-ленты для железо-основных нанокристаллов. Его принцип заключается в том, что расплавленный сплав подвергается сверхвысокой скорости охлаждения, благодаря чему подавляется упорядоченное расположение атомов и формируется термодинамически метастабильная аморфная структура.
Процесс включает следующие стадии:
• Плавка сплава: элементы Fe (железо), Si (кремний), B (бор), Cu (медь) и Nb (ниобий) смешиваются в строго заданных пропорциях (например, типичный состав Fe₇₃.₅Cu₁Nb₃Si₁₃.₅B₉) и расплавляются в вакуумной индукционной печи. Это обеспечивает однородность состава и исключает влияние примесей на последующие свойства.
• Формирование ленты распылением: расплавленный сплав (при температуре около 1300–1500 °C) подаётся через специально разработанное сопло на быстро вращающийся медный барабан (линейная скорость 20–40 м/с). Расплав мгновенно растекается по поверхности барабана и охлаждается со скоростью 10⁵–10⁶ °C/с, формируя аморфную ленту толщиной 15–40 мкм и шириной 10–200 мм. Ключевыми параметрами процесса являются зазор между соплом и барабаном, скорость вращения барабана и температура расплава, которые обеспечивают ровную поверхность и равномерную толщину ленты.
Главное преимущество данной технологии заключается в том, что сверхбыстрое охлаждение «фиксирует» неупорядоченное состояние атомов, создавая идеальную основу для последующей нанокристаллизации. Кроме того, непрерывность процесса получения ленты обеспечивает высокий уровень производственной эффективности и промышленного масштабирования.
(2) Отжиг с кристаллизацией — «точный термоконтроль», пробуждающий нанокристаллы
Аморфная лента сама по себе обладает ограниченными мягкими магнитными свойствами, поэтому требуется последующая термообработка (отжиг), которая индуцирует выделение нанокристаллов. Этот этап является «душой» регулирования свойств железо-основных нанокристаллов. Процесс и его механизм можно описать следующим образом:
Согласно отраслевым данным, при среднем размере зёрен около 15 нм магнитная проницаемость железо-основных нанокристаллов достигает 10⁴–10⁵, а коэрцитивная сила снижается до 0,5–2 А/м, что обеспечивает максимальные совокупные мягкие магнитные характеристики материала.
(3) Передовые технологии изготовления — преодоление ограничений формы и характеристик
Для удовлетворения потребностей различных областей применения научные и промышленные круги активно исследуют новые методы производства железо-основных нанокристаллов, направленные на расширение функциональности и улучшение эксплуатационных свойств:
2.Свойства материала: «универсальный чемпион» среди мягких магнитных материалов
Уникальная микроструктура железо-основных нанокристаллов обеспечивает им совокупность характеристик, значительно превосходящих традиционные мягкие магнитные материалы, такие как ферриты, пермаллой и электротехническая сталь. Особенно в условиях высоких частот и повышенной энергоэффективности эти материалы демонстрируют незаменимые преимущества.
(1) Высокая насыщенная магнитная индукция — «источник энергии» для электромагнитного преобразования
Насыщенная магнитная индукция (Bₛ) является ключевым показателем способности материала аккумулировать магнитную энергию. У железо-основных нанокристаллов значение Bₛ достигает 1,2–1,5 Т, что значительно выше, чем у ферритов (0,3–0,5 Т) и пермаллоя (0,8–1,0 Т), и близко к показателям низко- и среднеуглеродистой электротехнической стали (1,5–1,7 Т).
Благодаря этому свойству материал способен передавать больше электромагнитной энергии при тех же габаритах. Например, в системах электропривода электромобилей применение магнитопроводов из железо-основных нанокристаллов в инверторах позволяет снизить объём устройства более чем на 30% при одновременном повышении удельной мощности.
(2) Высокая магнитная проницаемость и низкая коэрцитивная сила — «эффективный проводник энергии и сигналов»
Магнитная проницаемость (μ) отражает способность материала реагировать на магнитное поле, а коэрцитивная сила (Hc) характеризует лёгкость намагничивания и размагничивания.
У железо-основных нанокристаллов начальная проницаемость μᵢ = (5×10⁴)–(1×10⁵), максимальная μₘ > 1×10⁵, а коэрцитивная сила составляет всего 0,5–2 А/м. Для сравнения: у электротехнической стали μᵢ ≈ 1×10³, Hc ≈ 10–30 А/м; у пермаллоя — μᵢ ≈ 2×10⁴, Hc ≈ 2–5 А/м.
Это означает, что в условиях низких частот и слабых магнитных полей железо-основные нанокристаллы способны обеспечивать высокоточное прохождение сигналов при минимальных энергетических потерях. Например, в токовых трансформаторах на их основе точность измерения достигает класса 0,1, что значительно превосходит показатели традиционных сердечников из кремнистой стали.
(3) Исключительно низкие потери на высоких частотах — «энергосберегающий лидер» в высокочастотных применениях
Потери в магнитопроводе (Pcv) представляют собой энергию, рассеиваемую мягким магнитным материалом в переменном магнитном поле, и включают потери на гистерезис, вихревые токи и дополнительные потери.
Железо-основные нанокристаллы достигают низких потерь на высоких частотах благодаря двум ключевым факторам:
Сравнительные данные: при 100 кГц и 0,1 Т потери в магнитопроводе из железо-основных нанокристаллов составляют лишь 0,1–0,3 Вт/кг, тогда как у ферритов — 1–3 Вт/кг, а у пермаллоя — 0,5–1,0 Вт/кг. Благодаря этому материал является оптимальным выбором для источников питания 5G-базовых станций и установок высокочастотного индукционного нагрева.
(4) Отличная термическая стабильность и стойкость к постоянному смещению — «надёжный партнёр» в сложных условиях эксплуатации
Температура кристаллизации железо-основных нанокристаллов достигает 550–600 °C, и в диапазоне рабочих температур от –50 °C до +150 °C изменение магнитных характеристик не превышает 5%. Это значительно лучше, чем у ферритов, свойства которых резко ухудшаются при температурах выше 100 °C.
Кроме того, материал обладает высокой устойчивостью к постоянному магнитному смещению: при наложении постоянного магнитного поля снижение магнитной проницаемости составляет лишь 10–20%, в то время как у ферритов — свыше 50%. Благодаря этому железо-основные нанокристаллы широко применяются в устройствах, где присутствует постоянная составляющая тока — солнечных инверторах, источниках бесперебойного питания (UPS) и других силовых преобразователях.
3. Ассортимент продукции: «проникает» от энергетики до электроники
Благодаря выдающимся характеристикам железо-основные нанокристаллы сформировали многообразную продуктовую линейку, которая находит широкое применение в областях возобновляемой энергетики, потребительской электроники, энергетики, медицины и других, становясь ключевым материалом для модернизации отраслей.
(1) Сфера возобновляемой энергетики: «ключевой драйвер» зеленой трансформации
Магнитопроводы инверторов для солнечных электростанций: инвертор является «сердцем» фотогальванической системы, а его высокочастотный трансформаторный магнитопровод должен обеспечивать высокую Bₛ и низкие потери. Использование магнитопроводов из железо-основных нанокристаллов позволяет повысить коэффициент преобразования до 98,5% и выше, сокращая ежегодные потери энергии на примерно 500 кВт·ч на устройство. В настоящее время ведущие китайские компании, такие как Sungrow и Huawei, применяют такие решения в массовом масштабе.
Бортовые источники питания электромобилей: в OBC (бортовое зарядное устройство) и DC-DC преобразователи магнитопроводы из нанокристаллов позволяют уменьшить габариты и повысить эффективность. Например, у одного автопроизводителя применение нанокристаллического магнитопровода в модуле OBC позволило уменьшить объем с 2,5 л до 1,8 л, снизить вес на 20% и повысить эффективность зарядки на 1,2 процентных пункта.
(2) Потребительская электроника: «двойной двигатель» миниатюризации и высокой производительности
Индуктивные элементы смартфонов: с ростом требований 5G-устройств к быстрой зарядке и обработке сигналов, индуктивность как ключевой элемент хранения и фильтрации энергии должна обеспечивать высокое значение при ограниченном объеме. Индуктивные элементы из железо-основных нанокристаллов имеют объем всего 60% от традиционных ферритовых при повышении индуктивности на 30%. На сегодняшний день они массово применяются в флагманских моделях Apple и Xiaomi.
Адаптеры питания ноутбуков: использование нанокристаллических магнитопроводов позволяет увеличить рабочую частоту адаптера с 60 кГц до более 200 кГц, уменьшить его объем на 40%, а энергопотребление в режиме ожидания — до менее 50 мВт, что соответствует стандартам энергоэффективности ЕС (ERP).
(3) Энергетика: «хранитель эффективности» интеллектуальных сетей
Распределительные трансформаторы: в 10 кВ распределительных трансформаторах магнитопроводы из железо-основных нанокристаллов имеют холостые потери всего 1/5–1/3 по сравнению с трансформаторами на кремнистой стали. Трансформатор на 50 кВА позволяет экономить до 8000 юаней в год. Такие решения уже внедряются в модернизации сельских сетей и в центрах обработки данных.
Токовые трансформаторы (CT): интеллектуальные сети предъявляют высокие требования к точности и линейности CT. Нанокристаллические CT имеют погрешность менее 0,2% в диапазоне 0–120% номинального тока, что значительно превышает показатели традиционных трансформаторов из кремнистой стали, и стали стандартом для интеллектуальных подстанций.
(4) Другие области: «потенциальные звезды» межотраслевого применения
Медицинское оборудование: в системах МРТ магнитные экранирующие материалы из железо-основных нанокристаллов эффективно снижают внешние магнитные помехи и повышают разрешающую способность изображений. В высокочастотных хирургических ножах их магнитопроводы обеспечивают точную передачу энергии, снижая повреждение тканей.
Авиационно-космическая техника: электропитание спутников предъявляет строгие требования к весу и надежности магнитопроводов. У железо-основных нанокристаллов удельная мощность (мощность/вес) вдвое выше, чем у пермаллоя. В настоящее время они применяются в блоках питания спутников системы Beidou.
4.Серийная продукция нашей компании
(1) Типичная кривая
(2) Магнитные характеристики
(3) Физические характеристики
5.Перспективы развития: параллельное совершенствование технологий и оптимизация стоимости
В настоящее время железо-основные нанокристаллические материалы развиваются в направлении «более высокой производительности, более низкой стоимости и большего разнообразия форм». С одной стороны, научно-исследовательские институты повышают тепловую стабильность и коррозионную стойкость материала путем оптимизации состава (например, добавлением элементов V, Mo). С другой стороны, промышленность за счет масштабного производства (внутренние мощности уже превысили 10 000 тонн в год) и совершенствования технологии (например, локализация непрерывных отжиговых печей) снижает стоимость ленты с ранних 200 юаней/кг до 80–100 юаней/кг, постепенно сокращая разрыв с кремнистой сталью.
С расширением применения в областях возобновляемой энергетики, 5G и искусственного интеллекта, железо-основные нанокристаллы как «эталон производительности» среди мягких магнитных материалов будут находить новые сферы применения. Ожидается, что в ближайшие 5–10 лет они станут ведущим материалом на рынке средне- и высокочастотных мягких магнитных материалов, обеспечивая ключевую поддержку глобальной модернизации отраслей.
