《纳米晶材料的生产工艺及应用发展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米晶材料的生产工艺及应用发展（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、纳米晶材料的生产工艺及应用发展纳米晶材料的生产工艺及应用发展装备制造产业招商局顾岁岁2016.3.23软磁材料简介纳米晶带材的生产工艺纳米晶材料的应用及发展目录变压器变压器/电磁器件工作原理电磁器件工作原理电磁互感电磁互感通过闭合铁芯，利用互感现象实现了：通过闭合铁芯，利用互感现象实现了：电能电能磁场能磁场能电能电能转化转化(U1、I1)(变化的磁场变化的磁场)(U2、I2)软磁材料铁芯发展软磁材料铁芯发展电力力变压器器电磁元器件磁元器件19世世纪末末纯铁、软钢和无硅钢铁粉、氧化铁、细铁丝等20世世纪初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
2、合金薄带20世世纪末末非晶态合金非晶纳米晶合金常用的常用的软磁磁芯种磁磁芯种类v铁、钴、镍三种三种铁磁性元素是构成磁性材磁性元素是构成磁性材料的基本料的基本组元。元。v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。铁基非晶合金基非晶合金v组成成：80%Fe、20%Si,B类金属元素v性能性能：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1/31
3、/5），代替硅钢做配电变压器可节能6070。v应用用：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。铁基非晶合金基非晶合金铁镍基非晶合金基非晶合金/坡莫合金坡莫合金v组成成：40%Ni、40%Fe及20%类金属元素v性能性能：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。v应用用：广泛用于漏电开关、精密电流互感器铁芯、磁屏蔽等。铁氧体氧体v组成：成：铁氧体是由铁的氧化物及其他配
4、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。v性能：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。v应用：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。铁基基纳米晶合金米晶合金vv组组成成成成：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1020nm的微晶
5、,弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料。vv性能性能性能性能：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。vv应应用用用用：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。铁基基纳米晶合金米晶合金不同不同软磁材料的物理性能磁材料的物理性能不同不同软磁材料的磁性能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与硅钢的主要性能比较 非晶合金冷轧硅钢
6、饱和磁感应强度1.56T2.03T矫顽力4A/m30A/m居里温度 415745单位铁损(1.3T,50Hz)0.18W/kg1.2W/kg电阻率 140.cm50.cm密度 7.18 g/cm37.65 g/cm3维氏硬度 860 hg/cm2-饱和磁致伸缩系数3010-61010-6最大导磁率 200，00010，000厚度 0.020.04 mm0.230.33 mm纳米晶与米晶与铁氧体氧体铁芯性能比芯性能比较基本参数基本参数纳米晶铁芯纳米晶铁芯铁氧体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
7、.47.5铁损（20KHz/0.5T）（W/Kg） 35不能使用铁损（50KHz/0.3T）（W/Kg） 20,0002,000矫顽力 Hc(A/m) 1.606饱和磁致伸缩系数（106） 24电阻率(muOhmcm)80106居里温度()570 0.70牌号和基本成分牌号和基本成分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1K2021K202高剩磁比快淬软磁钴基合金1K103Fe-Si-B-Ni快淬软磁铁基合金1K2031K203高磁感低损耗快淬软磁钴基合金1K104Fe-Si-B-Ni Mo快淬软磁铁基合金1K
8、2041K204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1K2051K205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1K2061K206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1K5011K501Fe-Ni-P-B快淬软磁铁镍基合金1K5021K502Fe-Ni-V-Si-B快淬软磁铁镍基合金材料特性材料特性各向同性的软磁材料厚度极薄，仅为0.025mm。电阻率高，涡流损耗小硬度大，切割要求高，易碎易碎机械应力敏感，受力后会影响性能设备组成成1.熔炼系统熔炼系
9、统2.压力包系统压力包系统3.铜辊及冷却系统铜辊及冷却系统4.辊嘴间距微控系统辊嘴间距微控系统5.在线卷取系统在线卷取系统高性能纳米晶材料生产线介绍设备示意图设备示意图真空炉真空炉控制室控制室测厚机构厚机构加加压包包调整整卷取机熔炼炉示意图熔炼炉示意图200kg真空（气氛）熔炼及真空（气氛）浇注炉经过特殊定制而成，可以保证在真空或气氛保护环境下将钢水倒入浇注包中，供电方式为可控硅并联（KGPS），功率为200kw倾倒方式为液压驱动，电炉与控制柜采用闭式冷却塔（或板式热交换器）感感应线圈圈机械机械泵罗茨茨泵流槽大大轴压力包示意图压力包示意图1.包壳与大包盖n材料采用钢板加工完成后焊件而成。包盖与
10、包体采用水冷却。n技术要求：本包在制造过程中需按压力容器的有关标准进行焊接。还需充0.1MPa的正压；n包盖和包体水路能耐0.7MPa的水压。n将包壳剩余的孔用盲板封严后，整体漏气率小于10Pa/min。压力包容量为200kg，采用12根25mm的硅碳棒进行加热，底部4根，两侧各4根。主要有以下几个方面构成2.装杯机构n材料采用耐热合金，可快速拆卸，内部安装有电热丝加热套，将喷嘴杯安放在内部。3.塞棒控制机构n安装在包盖上部，塞棒插入包壳内部，连接处使用波纹管密封。保证塞棒快速打开，且气体不得泄露。接接喷嘴嘴接接钢位置位置塞棒塞棒水路水路硅碳棒硅碳棒热电偶偶喷嘴包支架示意图喷嘴包支架示意图六维
11、调节机构冷却辊示意图冷却辊示意图电机前修磨机构前修磨机构水管卷取设备照片卷取设备照片测厚厚辊压辊冷却冷却辊设备控制系统结构图设备控制系统结构图设备控制系控制系统结构构图S120矢量控制（卷取控制）S120多轴控制单元（喷嘴间距控制）左侧喷嘴控制右侧喷嘴控制塞杆位置控制铜辊驱动电机卷取驱动电机卷取小车驱动电机数据采集分析系统SIEMENSPLC触摸屏人机界面触摸屏人机界面设计设备运行状态显示及关键参数监视通过指示灯、按钮，动画和曲线形象展示当前设备运行状态关键参数监视：如铜辊转速、卷筒转速、铜辊膨胀量、冷却水流量，中间包重量等现场操作人员的操作接口操作设备：如中频炉小车的启停控制、电动推杆动作、
12、辊嘴微调、中间包塞杆控制等控制参数输入：如铜辊调速、带厚设定值输入，辊嘴伺服电机位移、速度调节等报警功能监视关键环节，通过报警提醒现场操作人员，使生产安全稳定，如冷却水流量超低报警、电机过载等。非晶非晶纳米晶的米晶的应用用v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
13、精密（高（高频）电流互感器流互感器铁芯芯 v应用用领域域v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v性能特点性能特点高磁导率，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共模滤波波电感感铁芯芯v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。v应用用领域域（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大功率变压器器铁芯芯v随
14、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。大功率大功率变压器器铁芯芯v应用用领域：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大功率变压器器铁芯芯v性能特点：性能特点：高饱和磁感应强度-有
15、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20KHz50KHz的频率范围是铁氧体损耗的1/21/5；优良的温度稳定性-可在-55130长期工作矩形功率矩形功率变压器器铁芯芯v产品品应用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v性能特点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
16、高压电流互感器流互感器铁芯芯v性能特点性能特点：-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-55130度-低损耗可替代坡莫合金的理想材料零序零序电流互感器流互感器铁芯芯v产品品应用用漏电保护开关用互感器环状铁芯v产品特性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-25100下稳定工作Uavg(100/-25)/Uavg(20)=0.71.2纳米晶合金材料导磁率是铁氧体的10倍多纳米晶合金材料产业状况企业将近170家华东华东地区
17、地区 华华南地区南地区 华华北地区北地区 其他地区其他地区01020304050607065602515纳米晶地区生产企业数量纳米晶地区生产企业数量从2008年至今，全国先后投资建设的纳米晶企业共370家，能够正常生产的非晶、纳米晶企业不到170家。其中长三角、珠三角、京津冀地区集中了我国纳米晶产能的90%。纳米晶合金材料生产状况亿元产值仅4家 从产能和产值上看，我国纳米晶企业大多小而弱，亿元产值仅4家，研发能力不足，技术创新能力不够等状况，发展潜力和空间巨大。3000吨以上吨以上1000吨以上吨以上500-1000吨吨500吨以下吨以下020406080100120153010020纳纳米晶
18、企米晶企业业按年按年产产量分布量分布超超亿亿元元5000万以上万以上3000-5000万万1000-3000万万0510152025303540454182540纳纳米晶企米晶企业业按按产值产值分布分布纳米晶合金材料产业状况约31亿产值89%1%10%Series1实际实际使用量使用量进进口口缺口缺口2014年实际纳米晶带材产量在6.6万吨左右。其他纳米晶粉末不足0.02万吨。从日本、德国、美国等进口高品质纳米晶带材和粉末0.05万吨左右。根据中国电器电工行业、磁性材料行业统计，全国2014年纳米晶软磁实际使用用量为7.4万吨，缺口0.8万吨，进口0.05万吨。纳纳米晶米晶产值产值31亿亿元左
19、右元左右。v纳米晶市场分析市场需求1800-2000吨v超薄带市场前景好，电子行业需要的优质纳米晶，市场需求量在1800-2000吨，而这类带材只有极少企业能够稳定生产，2014年提供不到800吨。带材价格也较高，一般是普通带材价格的23倍，而且容量也较大。v我国电子产业各种电子元器件使用纳米晶材料3%左右，部分高端产品约占到710%,部分产品甚至占到30%。只要升级转型发展，以纳米晶为代表的软磁新材料就拥有市场。v2015年9月23日的国务院常务工作会议上，对充电桩事宜也进行了部署，这将推动纳米晶在充电桩中的应用。v纳米晶主要生产企业v纳米晶主要生产企业：安泰科技股份有限公司、青安泰科技股份
20、有限公司、青岛云路新能源科技云路新能源科技有限公司、佛山中研非晶科技有限公司、江西大有科技有限公司、江有限公司、佛山中研非晶科技有限公司、江西大有科技有限公司、江苏奥奥玛德新材料科技有限公司等德新材料科技有限公司等。各地区各地区铁芯生芯生产的代表厂家的代表厂家珠三角：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、江苏迈盛新材料、浙江金源磁晶。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非晶纳米晶米晶铁芯芯对应的下游客的下游客户方向方向v（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；v（2）微型变压器单位：主要是功率小于30KVA的变压器生产单位；v（3）电感器、互感器单位；v（4）LED驱动器单位；v（5）空调、微波炉等大中型家用电器生产单位。
