鐵基納米晶合金是當今綜合性能最優(yōu)的金屬軟磁材料，具有高飽和磁感應強度、高磁導率、低損耗等特性，且具有制備和應用雙節能的優(yōu)勢，是提升電能傳輸效率、實(shí)現電控/電訊/電磁屏蔽的核心基礎材料，廣泛應用于電力電子、新能源汽車(chē)、智能電網(wǎng)、信息通訊等戰略新興產(chǎn)業(yè)。

　　鐵基納米晶合金作為關(guān)鍵戰略材料，被列入《中國制造2025》、“十三五國家重點(diǎn)專(zhuān)項”和“國家自然科學(xué)基金”等計劃中，也是《面向2035年的材料領(lǐng)域科技發(fā)展戰略研究》和“十四五國家重點(diǎn)專(zhuān)項”支持的重點(diǎn)新材料之一。

　　在電力工業(yè)，從電能產(chǎn)生（發(fā)電機）、傳輸（變壓器）到利用（電動(dòng)機）的過(guò)程中，軟磁材料起能量轉換作用。在電子工業(yè)，從5G通訊（無(wú)線(xiàn)充電）、自動(dòng)控制（繼電器、磁放大器、變換器）到廣播電視和電影（聲音圖像的錄、放、抹磁頭），再到電子計算技術(shù)（各種鐵磁性微波器件），軟磁材料起著(zhù)信息變換、傳遞與存儲等重要作用，如圖1所示。

圖1 （a）變壓器/電磁器件工作原理  （b）無(wú)線(xiàn)充電工作原理

　　在能源日趨緊缺和環(huán)境問(wèn)題日趨嚴重的今天，降低軟磁材料的損耗，提高磁芯效率，對節約能源及抑制電磁污染具有重大意義。同時(shí)，隨著(zhù)第三代半導體材料和器件的發(fā)明，電子元器件日益向高頻、大功率方向發(fā)展，這就要求軟磁材料盡可能集高飽和磁感、高導磁、高頻低損耗、高穩定性、低成本于一身。新興應用領(lǐng)域的不斷涌現，為軟磁材料的發(fā)展提供了廣闊的應用前景。

　　軟磁材料在工業(yè)中的應用始于19世紀末。隨著(zhù)電力工業(yè)的興起，人們開(kāi)始使用低碳鋼制造電機和變壓器。到20世紀初，研制出了硅鋼片代替低碳鋼，提高了變壓器的效率，降低了損耗，直到今天硅鋼片在電力工業(yè)用軟磁材料中仍居首位。到20年代，無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的興起，促進(jìn)了高導磁材料的發(fā)展，出現了坡莫合金。40年代到60年代，是科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)期，雷達、電視廣播、集成電路的發(fā)明等，對軟磁材料提出了更高的要求，軟磁合金薄帶應運而生。70年代以后，隨著(zhù)電訊、自動(dòng)控制、計算機等行業(yè)的發(fā)展，新型軟磁材料——鐵基非晶合金、納米晶合金相繼出現并快速實(shí)現了產(chǎn)業(yè)化，如圖2所示。

圖2（a）硅鋼/非晶/納米晶合金發(fā)展歷程-最佳使用頻率圖

（b）硅鋼/非晶/納米晶合金頻率-損耗圖

　　相比較而言，低碳鋼加工性能好，但渦流損耗大，只宜用于直流鐵芯；硅鋼具有高飽和磁感應強度，在不超過(guò)1kHz的頻率下應用優(yōu)勢顯著(zhù)，尤其適用于低頻、大功率電磁裝備，而在更高頻下應用損耗急劇增加；坡莫合金具有很高的磁導率，但成本很高，主要用于精密儀表、記錄磁頭等或要求體積小的場(chǎng)合；鐵基非晶合金具有較高飽和磁感應強度和較低中頻損耗特性，適合在50Hz-10kHz頻率范圍應用，在更高頻率應用時(shí)磁導率快速下降；納米晶合金因其具有獨特的非晶/納米晶雙相復合結構，兼備高頻高磁導率和高頻低損耗特性，在50Hz-100kHz頻率范圍應用具有顯著(zhù)優(yōu)勢，如表1所示。

表1 典型軟磁材料磁性能對比

　　近年來(lái)，隨著(zhù)第三代寬禁帶半導體的發(fā)明和產(chǎn)業(yè)應用技術(shù)的突破，高頻大功率、低損耗電磁元器件的設計與推廣應用成為可能，納米晶軟磁合金兼備高飽和磁感、高磁導率、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，作為目前3kHz-100kHz頻段綜合性能最為優(yōu)異的金屬軟磁材料，已成為助推電力電子、新能源汽車(chē)、智能電網(wǎng)、信息通訊等戰略新興產(chǎn)業(yè)向高頻、高效、小型化、輕量化和低能耗方向發(fā)展的核心基礎材料。電子元器件、信息通訊、新能源汽車(chē)和消費電子領(lǐng)域提出了超?。ā?8μm）、高頻磁導率（μ100kHz>3萬(wàn)）、低損耗（P0.5T、10kHz≤3W/kg）的性能要求；智能電網(wǎng)、軌道交通領(lǐng)域大功率高頻變壓器對納米晶材料提出了寬幅（≥100mm）、超?。?4-18μm）、低損耗（P0.5T、10kHz≤3W/kg）的發(fā)展要求。

圖3 （a）常見(jiàn)軟磁材料飽和磁密-磁導率圖 （b）納米晶材料重要應用

　　本項目立項之前，國內外帶材生產(chǎn)均采用非連續性的單包法工藝，單爐鋼水僅200-300kg，年產(chǎn)能不足300噸，生產(chǎn)效率低。國內供應的納米晶帶材幅寬均在60mm以下、帶材厚度20μm以上，損耗高（P0.5T、20kHz＞30W/kg），一致性差、成本高等問(wèn)題亟待解決。我國寬幅超薄納米晶帶材“無(wú)材可用”的問(wèn)題十分突出，制約了我國電力電子、信息通訊、新能源汽車(chē)等產(chǎn)業(yè)的高級化和產(chǎn)業(yè)鏈的現代化。

　　為了突破寬幅納米晶帶材制備技術(shù)，德國VAC公司曾嘗試采用增大單爐容量的技術(shù)路線(xiàn)，但因壓力補償澆鑄帶來(lái)的裝備系統穩定性差、產(chǎn)品收得率低、生產(chǎn)成本居高不下而放棄。

　　立項之初，項目承擔單位借鑒已經(jīng)取得的具有自主知識產(chǎn)權的萬(wàn)噸級非晶帶材連續化生產(chǎn)技術(shù)，包括大容量感應底注中間包、熔潭保護等系列關(guān)鍵工藝技術(shù)，并基于發(fā)明的納米晶合金熔體原子團簇性能調控理論，在國內外率先提出了寬幅超薄納米晶帶材的高效連續化制造技術(shù)路線(xiàn)。

　　納米晶帶材運用平面流高速連鑄工藝、以106℃/s的冷卻速率從鋼液直接凝固形成厚度小于0.018mm的薄帶，鑄帶速度高達1500m/min。與傳統的硅鋼材料相比，制造過(guò)程省去了軋制、再結晶退火、表面絕緣處理等諸多工序，成為了冶金領(lǐng)域最短的工藝流程，可以節省約80%的生產(chǎn)能耗。

圖4 平面流鑄示意圖

　　平面流制備工藝中，冷卻輥位于噴嘴正下方，坩堝內母合金在惰性氣體保護下進(jìn)行感應加熱熔化，并通過(guò)熱電偶對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。當熔體溫度達到預設噴帶溫度時(shí)，坩堝內合金熔體在壓力作用下從狹長(cháng)噴嘴噴出，與高速旋轉的冷卻輥接觸，并在熔體與輥面接觸區域擴展形成一穩定的熔潭。合金熔體經(jīng)冷卻輥激冷，快速凝固成金屬帶材，經(jīng)自動(dòng)卷取裝置收集成卷，如圖4所示。該技術(shù)具有流程短、產(chǎn)量大、成本低的特點(diǎn)。

　　項目承擔單位歷經(jīng)多年在基礎理論研究、納米晶合金成分開(kāi)發(fā)、寬幅超薄連續化制帶技術(shù)、鐵芯及元器件應用技術(shù)等方面，開(kāi)展了全創(chuàng )新鏈科學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)工作，形成的主要創(chuàng )新如下：

　　1、從理論角度揭示了微觀(guān)原子團簇對于納米晶合金熔體、前驅體玻璃形成能力、納米晶晶化過(guò)程的影響規律，為納米晶合金成分開(kāi)發(fā)、鋼水熔煉工藝技術(shù)及鐵芯軟磁性能調控奠定了堅實(shí)的理論基礎。

　　2、發(fā)明了低損耗、高磁導率新型鐵基納米晶合金成分綜合軟磁性能最優(yōu)，實(shí)現了納米晶成分的自主可控。該成分兼具優(yōu)異軟磁性能和強玻璃形成能力，綜合性能優(yōu)勢明顯，該創(chuàng )新為我國寬幅超薄納米晶帶材連續化生產(chǎn)提供了自主可控的新合金成分體系。

　　3、發(fā)明了寬幅超薄鐵基納米晶帶材連續化制造技術(shù)，實(shí)現了高品質(zhì)寬幅（≥120mm）超?。ā?8μm）納米晶帶材的連續化生產(chǎn)，建成了我國具有自主知識產(chǎn)權的寬幅超薄納米晶連續化生產(chǎn)線(xiàn)，單線(xiàn)產(chǎn)能達到4000噸/年，整體技術(shù)國際領(lǐng)先，引領(lǐng)了我國納米晶帶材產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展。

　　4、發(fā)明了納米晶帶材非晶前驅體納米晶化熱處理技術(shù)和高頻低損耗、磁導率可調控納米晶鐵芯制造及應用技術(shù)；解決了因納米晶化放熱和應力敏感導致的軟磁性能和損耗惡化，使系列化納米晶鐵芯的性能均達到國際領(lǐng)先。

　　通過(guò)本項目的順利實(shí)施，項目團隊開(kāi)發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的新型納米晶合金成分體系，突破了日立金屬的專(zhuān)利封鎖，實(shí)現了納米晶成分的自主可控。該成分體系納米晶合金具有優(yōu)異的軟磁性能，飽和磁感應強度可調范圍廣，還具有低矯頑力和低損耗特性，具有廣泛的應用領(lǐng)域。

　　基于開(kāi)發(fā)的新型合金成分，通過(guò)寬幅超薄納米晶帶材工藝裝備和連續化制造技術(shù)集成創(chuàng )新，項目單位實(shí)現了高品質(zhì)寬幅超薄納米晶帶材連續化生產(chǎn)，比傳統的單包壓力補償非連續化生產(chǎn)方式效率提升8倍以上，單線(xiàn)產(chǎn)能提升至4000噸/年。納米晶帶材連續化生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)勢顯著(zhù)，由于高效節能、高自動(dòng)化、高成品率等特點(diǎn)，可使納米晶帶材制造成本降低40%以上；同時(shí)，連續化生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)使納米晶帶材的幅寬拓展至120mm以上、厚度可以穩定控制在18μm以下、橫向偏差小于±1μm，滿(mǎn)足了高頻大功率器件的應用需求，已經(jīng)廣泛應用在智能電網(wǎng)、新能源汽車(chē)、信息通訊、電力電子等領(lǐng)域。該成果于2021年1月通過(guò)了中國金屬學(xué)會(huì )冶金工業(yè)科學(xué)技術(shù)成果鑒定，專(zhuān)家委員會(huì )認為本項目成果總體達到國際領(lǐng)先水平。

　　項目獲授權專(zhuān)利29項，發(fā)表論文27篇，培養了一支鐵基納米晶成分體系開(kāi)發(fā)、納米晶帶材制備、鐵芯及器件應用的國家級高水平技術(shù)團隊。

　　項目團隊通過(guò)近10年的聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，完成了納米晶合金新型成分體系、寬幅超薄納米晶帶材連續化制造裝備及工藝、低損耗大功率鐵芯等方面的技術(shù)攻關(guān)，其中帶材連續化制造技術(shù)在安泰科技股份有限公司、青島云路先進(jìn)材料技術(shù)股份有限公司和江蘇集萃安泰創(chuàng )明先進(jìn)能源材料研究院有限公司轉化應用，成功實(shí)現產(chǎn)業(yè)化；納米晶帶材及鐵芯應用技術(shù)在青島云路新能源科技有限公司和江西大有科技有限公司轉化應用，成功實(shí)現產(chǎn)業(yè)化。

　　項目開(kāi)發(fā)的納米晶合金帶材，因其具有低損耗、高磁導、寬幅超薄等性能優(yōu)勢得到高端市場(chǎng)的高度認可，已廣泛應用于新能源汽車(chē)、5G通訊、軌道交通和無(wú)線(xiàn)充電等新興產(chǎn)業(yè)；由于連續化生產(chǎn)的制造成本優(yōu)勢，項目磁元件產(chǎn)品還被廣泛應用于家電（微波爐、空調、冰箱、洗衣機、LED電視、空氣凈化器、洗碗機、烤箱、熱水器等）、各類(lèi)電源（UPS、PC電腦、服務(wù)器、醫療等）、焊機和光伏逆變器等傳統行業(yè)，取得了良好的經(jīng)濟和社會(huì )效益。

　　項目成果還可應用于中大容量的電力電子高頻變壓器，支撐解決智能電網(wǎng)中風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源大規模并網(wǎng)等難題，滿(mǎn)足我國對清潔能源高效利用的需要，對加速我國能源戰略轉型、推進(jìn)生態(tài)文明建設和環(huán)境保護具有重要意義。

　　該項目的成功實(shí)施，迫使進(jìn)口納米晶軟磁合金帶材價(jià)格降低約50%；推動(dòng)納米晶帶材市場(chǎng)規模迅速攀升，2020年國產(chǎn)納米晶帶材市場(chǎng)規模達到2.1萬(wàn)噸，約占全球市場(chǎng)（2.5萬(wàn)噸）份額80%，如圖5所示。

圖5 納米晶帶材國內市場(chǎng)規模逐年攀升

　　項目技術(shù)開(kāi)發(fā)的寬幅超薄納米晶帶材及鐵芯制品，作為關(guān)鍵戰略材料廣泛應用于新一代信息技術(shù)、智能電網(wǎng)、軌道交通、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域，將支撐數千億元的產(chǎn)業(yè)群，如圖6所示。

圖6 納米晶帶材重要應用領(lǐng)域