1K107非晶纳米晶材料及应用

1K107非晶纳米晶材料及应用主讲：技术部变压器/电磁器件工作原理—电磁互感通过闭合铁芯，利用互感现象实现了：电能→磁场能→电能转化(U1、I1)(变化的磁场)(U2、I2)1U2U1u2uLZ1u1iΦ1e2e2u2i软磁材料铁芯发展电力变压器电磁元器件19世纪末纯铁、软钢和无硅钢铁粉、氧化铁、细铁丝等20世纪初硅钢片热轧磁性硅钢片冷轧无取向硅钢片冷轧晶粒磁性硅钢片坡莫合金、坡莫合金磁粉软磁铁氧体软磁合金薄带20世纪末非晶态合金非晶纳米晶合金常用的软磁磁芯种类铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本组元。按(主要成分、磁性特点、结构特点)制品形态分类：(1)粉芯类：磁粉芯，包括：铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯(HighFlux)、坡莫合金粉芯(MPP)、铁氧体磁芯;(2)带绕铁芯：硅钢片、坡莫合金、非晶及纳米晶合金。牌号和基本成分1K101Fe-Si-B快淬软磁铁基合金1K201高脉冲磁导率快淬软磁钴基合金1K102Fe-Si-B-C快淬软磁铁基合金1K202高剩磁比快淬软磁钴基合金1K103Fe-Si-B-Ni快淬软磁铁基合金1K203高磁感低损耗快淬软磁钴基合金1K104Fe-Si-B-NiMo快淬软磁铁基合金1K204高频低损耗快淬软磁钴基合金1K105Fe-Si-B-Cr(及其他元素)快淬软磁铁基合金1K205高起始磁导率快淬软磁钴基合金1K106高频低损耗Fe-Si-B快淬软磁铁基合金1K206淬态高磁导率软磁钴基合金1K107高频低损耗Fe-Nb-Cu-Si-B快淬软磁铁基纳米晶合金1K501Fe-Ni-P-B快淬软磁铁镍基合金1K502Fe-Ni-V-Si-B快淬软磁铁镍基合金国内外非晶合金产业的发展史1967年：美国的Duwez教授率先发明液态金属快淬技术制造非晶合金软磁材料；1971年：美国AlliedSignal（联信）公司开发出非晶合金宽带的平面流铸制带技术，当时可制成宽度为20mm的非晶合金带材；1982年：美国AlliedSignal建成非晶合金带材连续生产厂，先后推出命名为Metglas系列非晶合金带材，标志着非晶合金产业化和商品化的开始；2003年底日立金属并购Honeywell的Metglas部门，于2007年突破年产5万吨。国内安泰科技是研究开发非晶合金材料较早的公司。非晶合金带材的炼制生产过程示意图※液态熔融状态下经过超急速冷却（冷却速度10^6℃/S）形成厚度0.02～0.04mm的固态带状金属。※与传统硅钢片制造工艺相比，工艺大大简化，节能，无污染材料特性各向同性的软磁材料厚度极薄，仅为0.025mm，填充系数低电阻率高，涡流损耗小硬度大，切割要求高，易碎机械应力敏感，受力后会影响性能不同软磁材料的物理性能硅钢片与非晶材料的微观差异原子排列硅钢片非晶材料磁滞回线比较图中曲线所包围的封闭面积代表磁性材料在磁场交替循环中以热的形态散失的能量不同软磁材料的磁性能非晶合金与硅钢的主要性能比较非晶合金冷轧硅钢饱和磁感应强度1.56T2.03T矫顽力＜4A/m＞30A/m居里温度415℃745℃单位铁损(1.3T,50Hz)0.18W/kg1.2W/kg电阻率140μΩ.cm50μΩ.cm密度7.18g/cm37.65g/cm3维氏硬度860hg/cm2---饱和磁致伸缩系数30×10-610×10-6最大导磁率＞200，000＞10，000厚度0.02～0.04mm0.23～0.33mm纳米晶与铁氧体铁芯性能比较基本参数纳米晶铁芯铁氧体铁芯饱和磁感Bs（T）1.250.5剩余磁感Br（T）（20KHz）0.200.2铁损（20KHz/0.2T）（W/Kg）3.47.5铁损（20KHz/0.5T）（W/Kg）35不能使用铁损（50KHz/0.3T）（W/Kg）40不能使用导磁率（20KHz）（Gs/Oe）20,0002,000矫顽力Hc(A/m)1.606饱和磁致伸缩系数（×10－6）24电阻率(muOhm·cm)80106居里温度(℃)570200铁芯叠片系数0.70－铁基非晶合金组成：80%Fe、20%Si,B类金属元素性能：1.高饱和磁感应强度（1.54T）；2.与硅钢片的损耗比较：磁导率、激磁电流和铁损等都优于硅钢片。特别是铁损低（为取向硅钢片的1/3－1/5），代替硅钢做配电变压器可节能60－70％。应用：广泛应用于配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变压器及逆变器铁芯，适合于10kHz以下频率使用。铁基非晶合金铁镍基非晶合金/坡莫合金组成：40%Ni、40%Fe及20%类金属元素性能：1.具有中等饱和磁感应强度（0.8T）、较高的初始磁导率和很高的最大磁导率以及高的机械强度和优良的韧性。2.在中、低频率下具有低的铁损。3.空气中热处理不发生氧化，经磁场退火后可得到很好的矩形回线。应用：广泛用于漏电开关、精密电流互感器铁芯、磁屏蔽等。铁氧体组成：铁氧体是由铁的氧化物及其他配料烧结而成。一般可分为永磁铁氧体、软磁铁氧体和旋磁铁氧体三种。软磁铁氧体是由三氧化二铁和一种或几种其他金属氧化物（例如：氧化镍、氧化锌、氧化锰、氧化镁、氧化钡、氧化锶等）配制烧结而成。性能：具有低饱和磁感应强度（0.5T），低矫顽力，高电阻率和较低的居里温度，所以软磁铁氧体的温度稳定性不理想。应用：它主要用作各种电感元件，如滤波器磁芯、变压器磁芯、无线电磁芯，以及磁带录音和录像磁头等，也是磁记录元件的关键材料。铁基纳米晶合金组成：铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金，经快速凝固工艺形成一种非晶态材料。热处理后获得直径为10－20nm的微晶,弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料。性能：具有优异的综合磁性能，高饱和磁感、高初始磁导率、低Hc，高磁感下的高频损耗低，电阻率比坡莫合金高。经纵向或横向磁场处理，可得到高Br或低Br值。是目前市场上综合性能最好的材料。应用：广泛应用于大功率开关电源、逆变电源、磁放大器、高频变压器、高频变换器、高频扼流圈铁芯、电流互感器铁芯、漏电保护开关、共模电感铁芯等电磁转换功能的元器件中。铁基纳米晶合金非晶纳米晶的应用随着非晶纳米晶铁芯的普及和市场应用的拓展，近几年非晶合金铁芯的价格的火热期已过，像漏保、电力互感器、电感器、小功率型及C型变压器等中低端电子器件用的非晶纳米晶铁芯目前相对比较稳定呈缓慢下降趋势，目前价格已经低于4万元/吨。同时一些对性能要求较高的精密电流互感器、共模电感器、中高频大功率变压器等应用器件对非晶纳米晶的需求量在不断上升，个别铁芯价格达10万元/吨，利润可观。精密（高频）电流互感器铁芯应用领域•电子电度表•精密功率表•机械控制中电流过载保护•工业自动化中电流控制性能特点•高磁导率，低角差、低比差•与坡莫合金相比具有更高的饱和磁通密度，测量电流范围更广•低铁损•较好的温度稳定性共模滤波电感铁芯共模噪声抑制作用，在精密设备保护，电网EMI谐波过滤等各种EMC场合广泛应用。应用领域（过滤电路中的电磁干扰信号）•开关电源•UPS（不间断电源）•变频器•EMC滤波器•逆变焊机•光伏逆变器•风电•电动汽车•电磁炉等性能特点•具有高导磁率•优良的频率特性•极大的磁导率调节范围•突出的抗不平衡电流能力•优良的温度稳定性大功率变压器铁芯随着高频逆变技术的成熟，逆变电源体积小、重量轻、效率高的优势愈加明显。作为逆变焊机心脏的主变压器，由于工作频率提高到20KHz以上，传统的铁芯材料硅钢已不能满足使用要求；铁氧体虽高频损耗较低，但因其饱和磁感应值（Bs）较低，铁芯的体积和重量仍较大，此外，铁氧体的居里温度较低，热稳定性差。铁基纳米晶材料具有优良的综合磁性能，集硅钢、坡莫合金、铁氧体的优点于一身，即高磁感、高导磁率、低损耗。大功率变压器铁芯应用领域：•逆变焊机电源•通讯电源•高频感应加热电源•UPS电源•激光电源•电解电镀电源•充电电源•变频调速电源•等离子切割电源大功率变压器铁芯性能特点：•高饱和磁感应强度----有效缩小变压器体积，铁基纳米晶合金的饱和磁感是铁氧体的3倍，同样体积的铁芯要比铁氧体输出功率大2倍，同时有更大的抗过载能力•高导磁率、低矫顽力-提高变压器效率、减小激磁功率、降低铜损，导磁率是铁氧体的10倍以上，因此激磁功率小，因而也减少了铜损•低损耗-降低变压器的温升，其铁芯损耗在20KHz～50KHz的频率范围是铁氧体损耗的1/2～1/5；•优良的温度稳定性-可在-55~130℃长期工作矩形功率变压器铁芯产品应用•静电除尘高频电源•轨道交通机车电源•X光电源、激光电源•通讯设备电源•高频感应加热电源性能特点用铁基纳米晶带材制造，具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗及良好的温度稳定性。高压电流互感器铁芯简介电力系统电流互感器的重要作用就是当其初级有交流电流输入时，其次级按比例输出电流。通常，它们应用于高压、大电流发电厂和变电站安全快捷的测量和继电保护。电流互感器使测量和控制电路与被测量的高压电路安全的分开。与传统的铁芯材料硅钢和坡莫合金相比较，铁基纳米晶合金具有高磁导率、低损耗的明显优势，在下例产品中的应用更具有竞争力：0.2、0.2s、0.1精度等级的精密电流互感器，环氧灌封套管式电流互感器，气绝缘或油浸开关设备，低压、中压、高压开关设备，以及其它的电力传输和配电系统设备。高压电流互感器铁芯性能特点：-高磁导率-减小电流互感器测量误差-高饱和磁感应强度-比坡莫合金电流互感器尺寸小、重量轻-优越的温度稳定性―长时间工作在-55~130度-低损耗－可替代坡莫合金的理想材料零序电流互感器铁芯产品应用•漏电保护开关用互感器环状铁芯产品特性•具有高磁导率、低矫顽力、低损耗•对弱漏电流敏感，具有良好的耐大电流冲击能力•采用铁芯表面防护技术，防止铁芯碎屑•良好的温度稳定性，可以在-25℃~100℃下稳定工作•Uavg(100℃/-25℃)/Uavg(20℃)=0.7~1.2非晶电抗器环形切口铁芯应用领域（用于功率因数的校正）•直流变频空调中PFC•UPS不间断电源中PFC•SMPS开关电源中PFC•等离子电视中PFC•逆变电路中PFC性能特点•用铁基非晶带材制造，铁芯开口，具有优良的恒电感特性和抗直流偏磁能力，损耗低。逆变器/电抗器C型铁芯应用领域广泛用于太阳能光伏逆变器，中高频开关电源变压器、不间断电源中的主变压器等产品领域。性能特点用铁基非晶带材制造，具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗（是硅钢片的1/5-1/10）、低矫顽力和良好的温度稳定性。三相E型铁芯应用领域可以替代相似型号的同类硅钢电源变压器，性能特点-高饱和磁感应强度一减小铁芯体积；-矩形结构---便于线圈装配；-铁芯开口——优良的抗直流偏置饱和能力；-低损耗——减小温升（是硅钢的1/5——1/10）；-良好的稳定性——可在-55—130℃长时间工作。各地区铁芯生产的代表厂家珠三角：佛山中研、康浦森科技（深圳）、深圳金鑫非晶、佛山市兆万丰等长三角：江苏中源非晶、上海灿堃电子、江苏迈盛新材料、浙江金源磁晶等环渤海：安泰科技、北京新大科、秦皇岛燕秦、北京首冶、冶科电子等其他：青岛云路、成都锦尚科技、安徽芜湖惠利、安庆天瑞、河南安阳思侬、咸阳辉煌电子等非晶纳米晶铁芯对应的下游客户方向（1）电源单位：主要是开关电源、中频电源、高频电源、等离子电源、电脑电源；（2）微型变压器单位：主要是功率小于30KVA的变压器生产单位；（3）电感器、互感器单位；（4）LED驱动器单位；（5）空调、微波炉等大中型家用电器生产单位。AMDT铁芯分类按组织结构可分为：单相式、三相四框五柱式和三相三柱式；AMDT铁芯分类按其运行环境可分为：油浸式、干式；