应用非晶纳米晶软磁材料促进电子变压器的小型化
摘要: 扼要介绍非晶纳米晶软磁材料的发展、特性及其在电子变压器中的应用和应当注意的若干问题。
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3、非晶纳米晶合金材料在电子变压器中的应用
本人认为,在以下几个方面目前还存在推广应用市场:
(1)替代极薄硅钢产品,从上海钢研所极薄硅钢产品的市场需求知道,极薄硅钢(厚度<0.1mm)在20世纪70年代大量用于400Hz以上各种电子元件如高频变压器、电抗器、磁屏蔽等,目前这方面的市场需求较大,但供方难以满足需要,用非晶纳米晶合金材料替代,不仅可以提高产品性能、质量和促使小型化,而且价格上也有利可图。
(2)高磁导率和大功率磁芯器件,由于国内铁氧体生产设备和技术条件的限制,高磁导率、高性能、大功率铁氧体难以满足国内市场需求,如采用非晶纳米晶材料取而代之,可以促使一些电子设备国产化、小型化。
|
铁基非晶合金 |
冷轧硅钢 |
铁镍基非晶 |
钴基非晶合金 |
铁基纳米晶合金 |
坡莫合金 |
软磁铁氧体 |
饱和磁感应强度/T |
>1.5 |
2.0 |
>0.7 |
0.5~0.8 |
>1.2 |
0.5~1.5 |
<0.5 |
居里温度/℃ |
>415 |
730 |
>250 |
>320 |
>560 |
>400 |
<230 |
晶化温度/℃ |
>550 |
|
>410 |
>480 |
>510 |
|
|
电阻率/μΩ-cm |
140 |
50 |
125 |
140 |
90 |
55 |
>106 |
密度/(g/cm3) |
7.18 |
7.65 |
7.5 |
8.0 |
7.25 |
8~8.8 |
4.8 |
硬度/(hg/mm2) |
860 |
|
640 |
900 |
880 |
120 |
600 |
饱和磁致伸缩系数/×10-6 |
20~30 |
27 |
12 |
0 |
1~2 |
0~25 |
14 |
初始导磁率 |
>1000 |
1000 |
>4000 |
>30000 |
>80000 |
>10000 |
2000 |
最大导磁率 |
>200000 |
>10000 |
>200000 |
>200000 |
>2000000 |
>200000 |
|
矫顽力(A/m) |
<3 |
>8.0 |
<0.8 |
<2.0 |
<2.0 |
>0.4 |
20 |
铁损/(W/kg) |
P1/50=0.07P1 /400=1.2 |
P1/50>0.3P1 /400=5.8 |
P0.2/20k<20 |
P0.2/20k<5 |
P0.2/20k <10 |
P0.2/ 20k=13 |
P0.2/ 20k<20 |
(4)航空、航天等军工产品用的各种磁性器件需要小而轻、温度稳定性好、磁性要求高,使用非晶纳米晶合金材料远优于其他软磁材料。
(5)高频、大电流、大功率电源变压器、电抗器、滤波器等器件的小型化,目前这些器件大都采用铁氧体或冷轧硅钢,工作频率f=20kHz,工作磁感B=0.2T~0.3T,如采用非晶纳米晶合金磁芯,可将工作频率提高到f=40kHz~50kHz,工作磁感B=0.5T~0.6T,可以大大减小磁芯器件的体积和尺寸。
(6)各种抗EMI器件、噪声抑制器和尖峰抑制器。
4非晶纳米晶合金应用中值得注意的几个问题
虽然非晶纳米晶合金在我国已有近20年的应用历史,但仍有不少使用者对这类材料的应用有些疑虑,本人认为有必要说明。
4.1非晶纳米晶合金的时效稳定性
非晶合金是从液态金属急冷形成的,处于热力学亚稳定态,有向晶态转变的趋势。一旦发生严重晶化,合金的磁性能将不复存在,故此有人担心非晶纳米晶合金铁芯使用中会因时效导致性能恶化。但实际上这种担心是多余的,一方面晶化发生在非晶晶化温度(>350℃)以上,而在实际使用中,电子器件的工作温度不超过200℃,另一方面非晶纳米晶合金铁芯使用前均经过300℃、1小时以上的退火热处理,结构已相当稳定,国内外这类铁芯20余年的应用历史也表明不会发生时效而导致性能变化。
4.2非晶纳米晶合金的温度稳定性
由表1可知,非晶纳米晶合金的居里温度为300℃~560℃,远高于铁氧体等软磁材料。实际用于军工产品的温度试验结果也表明,在-55℃~150℃范围内,非晶纳米晶合金磁性能的变化在5%~10%,满足其性能要求,而且这种变化是随温度而完全可逆的。因此该类合金材料具有良好的温度稳定性。
4.3非晶纳米晶合金的耐冲击振动
非晶纳米晶合金制成的磁性器件的耐冲击振动性能非常可靠。早期的非晶纳米晶合金制品主要应用于军工产品,这些电子产品都需要进行严酷的耐冲击振动试验,有的高达30g~50g,一般都是在铁芯装盒灌封后单独或随整机进行试验,均未发生性能恶化问题。对于民品,更不存在耐冲击振动问题。
4.4非晶纳米晶合金铁芯的规格标准化
目前,大多数情况下非晶纳米晶铁芯用以替代其他软磁材料如硅钢、坡莫合金和铁氧体,这种先入为主的原则决定了非晶纳米晶合金铁芯的规格标准只能参照借用其它铁芯规格标准,满足用户使用要求。好在大多数这类铁芯都是合金薄带卷绕制成的,工艺简便,铁芯尺寸灵活性大,可以依据用户要求的尺寸规格来加工制造。当然非晶纳米晶合金的磁性能与其它材料不同,不能完全照搬其它材料铁芯的规格标准,有时需要稍作调整。
5非晶纳米晶软磁合金材料的发展
随着纳米科学技术和快淬技术的迅速发展,非晶纳米晶软磁合金材料也在不断进步,不仅现已产业化的薄带产品性能和质量大大提高,而且还在研制开发非晶纳米晶合金粉末及粉末制品、薄膜材料、复合材料等,这些新型纳米材料的研制开发及产业化将对电子变压器行业产生极大的潜在影响。作者认为以下几个方面值得电子变压器行业的同仁们关注。
5.1非晶纳米晶合金薄带脆性大大改善
近年来,国外非晶薄带生产企业已完全解决了非晶制带的技术关键,生产出高性能、高质量的合金薄带,达到可以剪切加工。国内企业积极进行技术改造,基本解决非晶制带的技术关键,一旦实现真正产业化,电子变压器界的同仁们所担心的冲剪问题就不存在了。
5.2非晶纳米晶合金粉末及粉末制品的开发应用
非晶纳米晶合金粉末及粉末制品的研究开发拓宽了该类合金材料在电子技术领域的应用,用作各种高频电源的滤波电感、贮能电感和PFC技术中电感器件的磁粉芯产品已经产业化、系列化,其磁导率μe在100以内,基本满足高频电感器件的需要。
由于目前非晶纳米晶合金粉末大多是以非晶薄带破碎制粉,在粉末制备及纳米晶化处理方面存在一些问题,难以采用常规粉末冶金工艺解决,如非晶粉末颗粒硬而扁平,成形加工难等。但如借助纳米科学技术及快速凝固技术有可能获得球形或近球形非晶纳米晶粉末颗粒,这对粉末制品的制备很有利,且可以大大提高粉末磁芯性能。这类材料的研发在电子变压器行业至少存在下列潜在应用市场:(1)电子变压器用粉末磁芯,国外已有磁导率μe达到6000的粉末铁芯的报道,如这类粉末铁芯用作电子变压器磁芯,就像目前铁氧体生产那样制备粉末铁芯,但其性能远远优于铁氧体材料,其影响可想而知。(2)纳米磁性液体的磁介质,纳米磁性液体用作电子变压器磁芯的研究开发工作正在引人关注,非晶纳米晶合金具有优异的软磁特性,加工成粉末不可能改变其本征磁性能,因而成为非晶纳米晶合金等。
5.3非晶纳米晶薄膜材料
非晶纳米晶薄膜材料的生产方法不同于我们现在使用的快淬技术,但作为对未来电子变压器有着深远影响的新型纳米晶材料,值得同仁们关注。
随着表面安装技术、器件集成化技术和微制造技术的迅速发展,电子设备的小型化、轻量化、薄型化及微型化前进了一大步,实现上述要求的重要手段就是提高它的工作频率。传统软磁铁氧体材料中的电阻率高,但饱和磁感太低,工作频率只能达到5MHz~10MHz,超过这一频率,其晶界将出现部分“短路”,磁芯损耗急剧增加,导致磁性下降,因此超过上述频率后大都使用金属薄膜材料,研究应用新型具有高电阻率和高饱和磁感的薄膜磁芯材料也就有了应用市场,这也为非晶纳米晶薄膜、颗粒膜等材料的开发应用提供了空间。另外,由于目前研制的高电阻率和高饱和磁感的薄膜磁芯材料基本上都是采用溅射或电镀等工艺制备,这些工艺和设备早已应用在大生产中,这也将大大有利于非晶纳米晶薄膜材料、颗粒膜材料等的产业化。
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