非晶纳米晶合金材料的工艺技术、产业化和应用
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非晶态合金材料的制备及应用随着科技的不断发展,人们对材料的需求也越来越高,尤其是在新能源、高速交通、电子信息等领域,对材料性能的要求更是严苛。
非晶态合金材料作为一种新材料,其具有优异的物理性能、化学性能、机械性能以及独特的制备工艺,在现代工程领域得到了广泛的应用。
本文将深入探讨非晶态合金材料的制备及应用。
一、非晶态合金材料的概念非晶态合金材料(Amorphous metal)是指在快速冷却过程中自发形成无定形结晶状态(非晶态)的金属合金材料。
它是一种为获得非晶态而制备的合金材料,由于材料的玻璃状无定形结构,具有许多传统合金所不具备的优秀机械性能、防腐性能、磁性能等。
二、非晶态合金材料的制备方法目前,非晶态合金材料的制备方法主要有四种:快速凝固法、溅射法、电化学合成法和机械法。
1、快速凝固法快速凝固法是指将高温熔融状态的合金,以极快的速度(几千℃/s)冷却固化,使其形成非晶态的制备方法。
常用的快速凝固方法有液滴冷却法、快速旋转法、单辊震荡法、直流磁控溅射法等。
2、溅射法溅射法是指在真空或惰性气体氛围下,将靶材表面原子部分蒸发后沉积在基板上形成薄膜的制备方法。
溅射合金材料大多是非晶态的。
溅射法制备的非晶态合金材料具有制备工艺简单、制备速度快等优点。
3、电化学合成法电化学合成是将金属阳极和对应离子溶液中的阴极通过外电路连接在一起,在电解的过程中通过氧化还原反应,将阳极上的金属元素离子还原并沉积在阴极表面,形成非晶态合金薄膜的制备方法。
4、机械法机械法是指通过机械能量改变材料的结构形态,制备非晶态合金材料的制备方法。
机械法制备的非晶态合金材料具有制备易度高、无需真空高温、不易受到氧化损害等优点。
三、非晶态合金材料的应用领域1、新能源领域非晶态合金材料在新能源领域中具有广泛应用。
比如,用非晶态合金材料代替传统铜线制造变压器,能够大大提高能源利用率和变压器的性能;将非晶态合金材料与锂离子电池等新型蓄电池的电极材料组合在一起,能够大幅提升其能量密度和循环寿命等性能;非晶态合金材料也是太阳能电池制造材料的新方向。
金属材料的非晶态与纳米晶态金属材料是工业生产中最重要的材料之一,其特殊性能和优异的物理力学性能已经被广泛应用于各个领域。
随着人们对材料性能的要求越来越高,金属材料的非晶态和纳米晶态也逐渐引起人们的关注。
本文将探讨金属材料的非晶态和纳米晶态的概念、制备方法以及应用前景。
一、非晶态金属材料非晶态金属材料是一种具有非晶结构的材料,其原子排列没有规则的长程周期性。
它的金属原子是以一种无序排列的方式分布于空间中的,因此称为“非晶态”。
它是介于晶态和液态之间的一种结构状态。
一般来说,非晶态材料由高温下迅速冷却而成,这个过程被称为快速凝固或淬火。
这种材料的熔点相对较高,可以达到晶态材料的熔点,但其热膨胀系数小,机械性能优异,导电性能良好。
因此,在很多领域都具有广泛的应用前景。
制备非晶态金属材料的方法有很多种,比如快速凝固法、气冷快速凝固法、感应熔化法、电子束辐照法等等。
其中,最常用的就是快速凝固法,这种方法可以制备出大面积、高稳定性的非晶态金属材料,并且可以制备出很多种不同的金属和合金。
例如,Fe-Si、Fe-Co、Fe-Ni-Cr、Zr-Cu-Ni-Al等合金都可以用快速凝固法制备。
另外,非晶态金属材料的制备技术也在不断发展和改进中。
例如,现在已经出现了一种叫做“烷基辅助快速凝固法”的新方法,该方法利用烷基分子作为快速凝固材料,可以获得非常高的凝固速度和均匀度,从而获得更好的非晶态金属材料。
二、纳米晶态金属材料纳米晶态金属材料是一种由纳米晶组成的材料,其晶粒尺寸一般小于100纳米,因此也被称为“纳米材料”。
这种材料相比于普通金属材料具有更好的力学性能、电学性能、热学性能和光学性能等等,可能成为未来各种领域的重要材料。
目前制备纳米晶态金属材料的方法有很多种,包括机械碾磨、高温球磨、溶液化学合成、气相合成等等。
其中,机械碾磨和高温球磨是比较常用的制备方法。
这两种方法可以通过机械剪切和冲击力对金属粉末进行加工,形成纳米晶态金属材料。
2024年非晶纳米晶磁芯市场前景分析引言在当今科技迅猛发展的时代,磁性材料在各个领域中扮演着重要角色。
非晶纳米晶磁芯作为一种新兴的磁性材料,在电力电子、新能源、传感器等应用中具有广阔的市场前景。
本文将对非晶纳米晶磁芯市场前景进行分析,探讨其在不同领域的应用潜力。
非晶纳米晶磁芯概述非晶纳米晶磁芯是一种结合了非晶态和纳米晶态特性的新型磁性材料。
由于其高饱和磁感应强度、低磁损耗以及优良的磁导率等特点,非晶纳米晶磁芯在电力电子领域中有着广泛的应用前景。
电力电子领域在电力电子领域中,非晶纳米晶磁芯主要应用于变压器、电感器等电力设备中。
其高饱和磁感应强度和低磁损耗的特点使得非晶纳米晶磁芯在高频电力转换装置中具有明显的优势。
非晶纳米晶磁芯可以显著提高装置的效率,减少能量损耗,同时也可以实现更小型化、轻量化的设计。
因此,在电力电子领域中,非晶纳米晶磁芯有着广阔的市场前景。
新能源领域新能源是未来发展的方向,而非晶纳米晶磁芯在新能源领域中有着巨大的应用潜力。
以风力发电为例,非晶纳米晶磁芯可以应用于风力发电机组的发电设备中,提高风力发电机组的转速、效率和可靠性。
非晶纳米晶磁芯的低磁损耗和优良的磁导率可以显著提高风力发电系统的发电效率,并降低由于能量转换过程中产生的热量损耗。
此外,在太阳能发电系统中,非晶纳米晶磁芯也可以应用于逆变器、控制器等设备中,提高太阳能发电的效率和可靠性。
因此,非晶纳米晶磁芯在新能源领域中有着广阔的应用前景。
传感器领域非晶纳米晶磁芯还可以应用于传感器领域。
传感器是现代化社会中不可或缺的组成部分,广泛应用于工业控制、汽车电子、医疗器械等领域。
非晶纳米晶磁芯在传感器领域中可以应用于电流传感器、磁场传感器等设备中,提高传感器的性能指标。
非晶纳米晶磁芯的高饱和磁感应强度和低磁损耗可以提高传感器的灵敏度和响应速度,同时也可以减小传感器体积,实现更小型化的设计。
因此,在传感器领域中,非晶纳米晶磁芯具有广阔的市场前景。
2024年非晶纳米晶市场前景分析在当今快速发展的科技和材料领域中,非晶纳米晶材料越来越受到重视。
非晶纳米晶材料具有许多独特的性质和广泛的应用前景。
本文将对非晶纳米晶市场的前景进行分析。
1. 非晶纳米晶材料的定义和特点非晶纳米晶材料是一种特殊的结构材料,其晶体结构呈无序状。
与传统的晶体材料相比,非晶纳米晶材料具有以下特点:•高硬度和强度:非晶纳米晶材料的晶格缺陷较少,原子间的结合更紧密,因此具有更高的硬度和强度。
•超弹性:非晶纳米晶材料具有较高的弹性变形能力,能够承受更大的应力而不发生塑性变形。
•优异的韧性:非晶纳米晶材料在强度和硬度的同时,还具有较好的韧性和抗拉伸性能。
•优异的导电性和磁性:非晶纳米晶材料因其无序的晶体结构,具有优异的导电性和磁性能。
•耐腐蚀性:非晶纳米晶材料由于无晶界和缺陷结构,具有较好的耐腐蚀性能。
2. 非晶纳米晶市场规模和发展趋势目前,非晶纳米晶材料已经在多个领域得到了广泛的应用,如电子、机械、光学、能源等。
随着科技的不断进步和对材料性能要求的提高,非晶纳米晶材料市场正以惊人的速度增长。
根据市场调研机构的数据显示,非晶纳米晶材料市场从2019年到2025年将以每年超过10%的复合增长率增长。
其中,电子行业是非晶纳米晶材料应用最广泛的领域之一。
随着电子设备的不断更新和功能的不断增强,对材料性能的要求也越来越高。
非晶纳米晶材料由于其优秀的电导率、导热性和耐腐蚀性,在电子行业中具有巨大的市场潜力。
此外,机械和汽车行业也是非晶纳米晶材料的重要应用领域。
材料的强度和硬度对于机械和汽车零部件的性能至关重要。
非晶纳米晶材料由于其优异的力学性能和耐腐蚀性,在机械和汽车行业中的应用前景广阔。
3. 非晶纳米晶市场的挑战和机遇尽管非晶纳米晶材料市场前景广阔,但也面临一些挑战。
首先,制备非晶纳米晶材料的技术较为复杂,生产成本较高。
其次,非晶纳米晶材料的应用范围仍然相对狭窄,需要进一步扩大应用领域和市场。
非晶软磁合金材料及其产业现状与发展前景newmaker1 非晶软磁合金材料及其应用非晶软磁合金材料及其形成机理我们根据原子排列方式把物质划分为晶体和非晶体两类。
物质里面的原子排列是整齐有序的叫做晶体;物质的原子排列是混乱的叫做非晶体。
通常情况下,金属及合金在从液体凝固成固体时,原子总是从液体的混乱排列转变成整齐的排列,即成为晶体。
但是,如果金属或合金的凝固速度非常快(例如用每秒高达一百万度的冷却速率将铁-硼合金熔体凝固),原子来不及整齐排列便被冻结住了,最终的原子排列方式类似于液体,是混乱的,这就是非晶合金(又称为金属玻璃)。
由于不同的物质形成非晶所需要的冷却速度大不相同。
单一金属需要每秒高达一亿度以上的冷却速度才能形成非晶态。
受目前工艺水平的限制,实际生产中难以达到如此高的冷却速度,普通的单一的金属难以从生产上制成非晶。
为了获得非晶态的金属,一般将金属与其它物质混合。
当原子尺寸和性质不同的几种物质搭配混合后,就形成了合金。
这些合金具有两个重要性质:①合金的成分一般在冶金学上的所谓“共晶”点附近,它们的熔点远低于纯金属,例如FeSiB合金的熔点一般为1200度以下,而纯铁的熔点为1538度;②由于原子的种类多了,合金在液体时它们的原子更加难以移动,在冷却时更加难以整齐排列,也就是说更加容易被“冻结”成非晶。
有了上面的两个重要条件,合金才可能比较容易地形成非晶。
实际上,目前所有的实用非晶合金都是两种或更多种元素组成的合金,例如Fe-Si-B,FeNiPB,CoZr,ZrTiCuNi等。
迄今为止,国内外非晶合金开发最多的是作为软磁材料的一类。
它们在化学成分上的一个共同点是:由两类元素组成:一类是铁磁性元素(铁、钴、镍或者他们的组合),它们用来产生磁性;另一类是硅、硼、碳等,它们称为类金属,也叫做玻璃化元素,有了它们,合金的熔点比纯金属降低了很多,才容易形成非晶。
非晶软磁合金材料的种类铁基非晶合金铁基非晶合金:主要元素是铁、硅、硼、碳、磷等。
非晶纳米晶合金材料的工艺技术、产业化和应用张甫飞(宝钢集团特钢技术中心,上海 200940)摘要:介绍了国内外利用快淬技术制备非晶纳米晶合金材料的产业现状以及这一领域材料工艺技术的研究开发动态和非晶纳米晶材料的应用情况。
关键词:非晶纳米晶材料;工艺;性能;产业化;应用Application, Industrialization and Technology of Amorphous & Nanocrystalline AlloyZHANG Fu-feiBaoSteel Special Steel Technical Center, Shanghai 200940, ChinaAbstract: The current industrial situation of amorphous & nanocrystalline alloy made by rapidly quenching technology is introduced, including the recent research, development and application inthis field.Key words: amorphous & nanocrystalline; process; properties; industrialization; application自从1960年Duwez教授等人发明液态金属快淬技术制取Au-Si非晶合金和1966年发明Fe-P-C 非晶软磁合金以来,美国、日本、德国、前苏联和中国等相继开展了非晶合金的研究工作,并在20世纪70~80年代形成非晶合金研究开发的第一次热潮。
由于非晶合金制备工艺简单独特、材料性能优异等显著优点,应用范围不断扩大,四十多年来一直是冶金和材料领域的研究热点之一。
尤其在1988年日本Yashizawa教授等人在非晶化的基础上发明了纳米晶合金,从而开创了软磁材料的新纪元,大大促进了非晶材料制备设备、工艺技术的发展和材料开发应用,推动了非晶纳米晶产业的发展[1~3, 8]。
非晶纳米晶材料
非晶纳米晶材料是一种具有非晶结构和纳米晶结构特征的材料,具有许多独特
的物理和化学性质,被广泛应用于各个领域。
非晶纳米晶材料的制备方法多种多样,包括溶胶-凝胶法、快速凝固法、溅射法等,这些方法能够有效地控制材料的结构
和性能,使其具有广阔的应用前景。
首先,非晶纳米晶材料具有优异的力学性能。
由于其具有较高的位错密度和较
小的晶粒尺寸,使得材料表现出优异的强度和韧性。
这使得非晶纳米晶材料在航空航天、汽车制造、电子设备等领域具有重要的应用价值,能够大大提高材料的抗拉强度和耐磨性能。
其次,非晶纳米晶材料具有良好的热稳定性和耐腐蚀性。
由于其结构的特殊性,非晶纳米晶材料在高温、高压和腐蚀性环境下具有出色的稳定性,能够保持其原有的性能不发生明显变化。
这使得非晶纳米晶材料在化工、能源、环保等领域有着广泛的应用前景,能够有效地提高材料的使用寿命和安全性能。
此外,非晶纳米晶材料还具有优异的光学和电学性能。
由于其结构的特殊性,
非晶纳米晶材料在光学和电学方面表现出许多独特的性质,如光学透明度、电学导电性等,这使得其在光学器件、电子器件、光电子器件等领域有着广泛的应用潜力,能够大大提高器件的性能和稳定性。
总的来说,非晶纳米晶材料具有许多独特的物理和化学性质,具有广泛的应用
前景。
随着制备技术的不断改进和发展,相信非晶纳米晶材料将在未来得到更广泛的应用,为各个领域的发展和进步提供重要的支持和保障。
非晶纳米晶软磁材料1、非晶纳米晶软磁材料非晶/纳米晶软磁材料一.应用领域非晶态软磁合金材料为20世纪70年月问世的一种新型材料,因具有铁芯损耗小、电阻率高、频率特性好、磁感应强度高、抗腐蚀性强等优点,引起了人们的极大重视,被誉为21世纪新型绿色节能材料。
其技术特点为:采纳超急冷凝固技术使合金钢液到薄带材料一次成型;采纳纳米技术,制成介于巨观和微观之间的纳米态(10-20nm)软磁物质。
非晶、纳米晶合金的优异软磁特性都来自于其特别的组织结构,非晶合金中没有晶粒和晶界,易于磁化;纳米晶合金的晶粒尺寸小于磁交换作用长度,导致平均磁晶各向异性很小,并且通过调整成分,可以使其磁致伸缩趋近于零。
【表1】列出了非晶/纳米晶软磁材料的典型性能及主要应用领域。
近年来,随着信息处理和电力电子技2、术的快速进展,各种电器设备趋向高频化、小型化、节能化。
在电力领域,非晶、纳米晶合金均得到大量应用。
其中铁基非晶合金的最大应用是配电变压器铁芯。
由于非晶合金的工频铁损仅为硅钢的1/5~1/3,利用非晶合金取代硅钢可使配电变压器的空载损耗降低60﹪~70﹪。
因此,非晶配电变压器作为换代产品有很好的应用前景。
纳米晶合金的最大应用是电力互感器铁芯。
电力互感器是特地测量输变电线路上电流和电能的特种变压器。
近年来高精度等级〔如0.2级、0.2S级、0.5S级〕的互感器需求量快速增加。
传统的冷轧硅钢片铁芯往往达不到精度要求,虽然高磁导率玻莫合金可以满足精度要求,但价格高。
而采纳纳米晶铁芯不但可以到达精度要求、而且价格低于玻莫合金。
在电力电子领域,随着高频逆变技术的成3、熟,传统大功率线性电源开始大量被高频开关电源所取代,而且为了提高效率,减小体积,开关电源的工作频率越来越高,这就对其中的软磁材料提出了更高的要求。
硅钢高频损耗太大,已不能满足使用要求。
铁氧体虽然高频损耗较低,但在大功率条件下仍旧存在许多问题,一是饱和磁感低,无法减小变压器的体积;二是居礼温度低,热稳定性差;三是制作大尺寸铁芯成品率低,本钱高。
2024年非晶合金市场发展现状引言非晶合金(Amorphous Alloy),也被称为非晶态金属或叠层非晶态合金,是一种具有非晶态结构的金属材料。
相比传统的晶态金属材料,非晶合金具有更高的硬度、强度和耐蚀性,同时具备较低的磁导率和电阻率。
这些特性使得非晶合金在众多领域中得到了广泛应用,并在市场上展现出良好的发展潜力。
市场概况非晶合金市场在过去几年中实现了稳定的增长。
根据研究数据,预计在未来的几年内,非晶合金市场将保持相对稳定的增长率。
其主要驱动因素包括可持续发展要求、新能源技术的发展以及汽车行业的推动。
应用领域电子与电气领域在电子与电气领域,非晶合金被广泛应用于电感器、变压器和电机等关键设备中。
非晶合金具有低磁滞和低损耗的特性,使得其成为高性能电子器件的首选材料。
汽车行业汽车行业是非晶合金市场的主要应用领域之一。
非晶合金制品被广泛应用于制动系统、转向系统和发动机等关键部件中。
由于其高强度和耐腐蚀性,非晶合金能够提供更高的安全性和可靠性。
节能与环保非晶合金在节能与环保领域也有着广泛的应用。
例如,在节能照明领域,非晶合金材料可以用于制造高亮度的LED灯具。
此外,非晶合金还可以应用于太阳能电池板、节能玻璃和节能建筑材料等。
其他领域除了以上应用领域外,非晶合金还可以广泛应用于航空航天、化工和医疗器械等领域。
例如,非晶合金可以用于制造轻量化的飞机结构件、耐腐蚀的化学装置和高刚性的手术工具。
市场竞争格局目前,非晶合金市场存在着一定程度的竞争。
主要的竞争对手包括国内外的大中型企业,如科思创(COSCRYSTAL)、HITACHI等。
这些企业在非晶合金材料的研发、生产和销售方面具有一定的优势。
发展趋势技术创新随着科学技术的不断进步,非晶合金市场将继续受益于技术创新。
例如,研究人员正在努力开发新型非晶合金材料,以提高其性能和应用范围。
绿色环保在当前环保意识日益增强的背景下,非晶合金市场将朝着绿色环保方向发展。
研究人员将致力于研发更加环保的生产工艺,并推动非晶合金在可再生能源和节能领域的应用。
非晶合金材料的应用和发展非晶合金又称金属玻璃,是指在原子尺度上长程无序、短程有序排列的一类合金材料。
其微观结构与传统晶态合金不同,内部并不存在晶粒和晶界。
独特的材料结构使得该合金具有高比强、大弹性变形能力、强耐腐蚀性、低热膨胀系数、高耐磨性、优异软磁等性能,可广泛应用于电子信息、航空航天、生物医疗等领域,市场需求量大,产业化前景十分广阔。
各个国家都相当重视非晶合金领域的研发工作。
1994年至2018年全球公开专利数量统计,以每五年为一个时间节点,分别对日本、美国、德国和中国的专利申请数量进行了统计。
在过去15年间,全球申请数量呈稳步上升趋势。
日本、美国与德国在此领域起步较早,中国自21世纪初期也开始发力,逐步赶超日本、美国和德国。
目前我国已实现产业化的非晶合金主要以带材的形式呈现,以铁基非晶合金在配电变压器中的应用最为成熟。
我国非晶带材技术与国外基本无差异,带材质量极具竞争力,在配电变压器的应用上节能效果非常明显。
目前国内生产非晶合金的公司主要有安泰科技股份有限公司、青岛云路新能源科技有限公司、东莞宜安科技股份有限公司等。
其中安泰科技股份有限公司、青岛云路先进材料技术股份有限公司等企业主要关注非晶和纳米晶带材的研发生产,而东莞宜安科技股份有限公司是具备大块非晶金属成型能力的企业。
2018年至今国外有多个科研团队在非晶合金制备、结构认知、机理研究等方面取得了新的进展。
为代替昂贵的Pd/Pd-Ag分离膜,美国内华达大学S.Sarker团队开发了Ni-Nb-Zr非晶合金,此材料在200℃~400℃表现出了较高的氢渗透性。
原子探针断层扫描证实该非晶合金内部确实存在相分离,在三元非晶基底上形成了纳米级富Nb和富Zr非晶的复合结构。
基于密度泛函理论(DFT)模拟发现这些局域原子团簇结构多由二十面体组成。
此外,也有些研究团队专注于非晶合金服役性能、变形机理等方面的研究。
2018年10月,日本东北大学SergeyV.Ketov团队研究了低温热循环处理对不同成分的金属玻璃力学性能的影响。
非晶纳米晶合金材料的工艺技术、产业化和应用张甫飞(宝钢集团特钢技术中心,上海 200940)摘要:介绍了国内外利用快淬技术制备非晶纳米晶合金材料的产业现状以及这一领域材料工艺技术的研究开发动态和非晶纳米晶材料的应用情况。
关键词:非晶纳米晶材料;工艺;性能;产业化;应用Application, Industrialization and Technology of Amorphous & Nanocrystalline AlloyZHANG Fu-feiBaoSteel Special Steel Technical Center, Shanghai 200940, ChinaAbstract: The current industrial situation of amorphous & nanocrystalline alloy made by rapidly quenching technology is introduced, including the recent research, development and application inthis field.Key words: amorphous & nanocrystalline; process; properties; industrialization; application自从1960年Duwez教授等人发明液态金属快淬技术制取Au-Si非晶合金和1966年发明Fe-P-C 非晶软磁合金以来,美国、日本、德国、前苏联和中国等相继开展了非晶合金的研究工作,并在20世纪70~80年代形成非晶合金研究开发的第一次热潮。
由于非晶合金制备工艺简单独特、材料性能优异等显著优点,应用范围不断扩大,四十多年来一直是冶金和材料领域的研究热点之一。
尤其在1988年日本Yashizawa教授等人在非晶化的基础上发明了纳米晶合金,从而开创了软磁材料的新纪元,大大促进了非晶材料制备设备、工艺技术的发展和材料开发应用,推动了非晶纳米晶产业的发展[1~3, 8]。
目前,利用快淬金属工艺技术制备的非晶材料已被广泛地应用于工业领域,除我们熟悉的磁性材料外,还有非晶钎焊材料、非晶催化材料、磁敏及传感器材料等;应用的材料形态有带材、丝材、粉末及薄膜等。
现代科学技术的发展,也大大促进了非晶纳米晶产业的发展,不仅提高了非晶合金制带设备和工艺技术水平,使其生产设备和技术更加自动化、现代化,保证了产品的质量,提高了产品的技术含量,从而满足现代电子技术发展的需要,而且也促进了新技术新材料研究、开发、应用[1~9]。
1 国外非晶纳米晶产业概况美国曾是世界上最大的非晶材料制造商,Honeywell公司Metglas业务部(前身为Allied Signal公司),是非晶材料制造技术的平板流技术专利所有者,年生产能力3万吨以上,实际年产1~2万吨,带材生产实现自动控制和自动卷取。
2003年被日本日立金属公司收购。
Honeywell公司Metglas业务部拥要两个独资工厂:美国Conway非晶金属制带厂和印度Gurgaon电子铁芯元件厂,两个合资公司:日本非晶质金属公司(NAMCO)和上海汉威非晶金属公司(SHZAM)。
在美国Conway非晶金属制带厂,有年产万吨级非晶带材生产线两条,主要生产Metglas2605SA-1,最大带材宽度为250mm,配有自动在线卷取设备及年产千吨级和百吨级非晶带材生产线各一条,主要生产电子材料、钎焊材料和新材料,最大带材宽度为220 mm 和100 mm,配有自动在线卷取设备[6, 7]。
日本主要有Hitachi(日立金属公司)和Toshiba(东芝公司)。
Hitachi公司是利用快淬技术在非晶化基础上制备纳米晶软磁合金材料的发明者,2003年收购了Honeywell公司的非晶金属部分(Metglas业务部),今后将是世界上最大非晶纳米晶材料生产供应商,产品包括目前所有的市售商品,尤其以铁基纳米晶(Finemet)的系列化产品占据世界非晶纳米晶领域的重要地位,它拥有一条配有自动在线卷取设备的非晶带材生产线,年生产能力达百吨,最大宽度为150 mm。
Toshiba公司主要生产Co基非晶产品,带材质量和性能居世界领先地位,尤其是磁放大器类产品,在市场上占有相当地位。
带材生产实现自动化,最大宽度在100 mm 左右[7]。
德国的真空熔炼公司(VAC)通过购买非晶纳米晶软磁合金专利许可证的方式获得生产许可,主要生产用于电子产品的Co基非晶和Fe基纳米晶材料,并在专利基础上研制开发出不同用途的新型合金材料。
也是非晶纳米晶材料重要制造商之一。
带材实现自动化生产,非晶带材最大宽度为150mm[7]。
在俄罗斯(前苏联),主要开发一些Co基非晶合金产品,近几年同韩国的由由公司合作开发应用Co基产品,虽然生产规模不太大,但设备及自动化技术水平不低。
国外非晶合金的自动化生产线如图1所示[7]。
2 国内非晶纳米晶产业概况中国非晶材料研究工作始于20世纪70年代中期,80~90年代国家科委、原冶金部等组织钢铁研究总院(转制企业为安泰科技)、上海钢铁研究所(转制企业为上海安泰至高)以及有关高校院所进行多次联合科技攻关,使我国非晶纳米晶材料产业从无到有、从小到大,逐渐发展成为非晶纳米晶合金研究开发生产的大国。
尽管我们的制带设备和工艺技术的自动化、现代化程度与国外先进设备技术相比还存在一定差距,但这些自主开发的工装设备在我国非晶纳米晶合金产业化中发挥了很大的作用。
二十多年来,我国的冶金材料工作者在非晶带材生产设备方面研制出实验室制带机组、中试生产线、年产百吨千吨级非晶带材生产线;目前正在自主开发高精度、高质量非晶纳米晶薄带生产线。
在材料方面开发出多种非晶纳米晶软磁材料、非晶钎焊材料、非晶催化材料、建筑用快淬材料及非晶纳米晶传感材料等;并研究开发出各种各样的非晶纳米晶铁芯器件,应用在电子工业中,还研究了用于电力工业的非晶配电变压器[1, 8, 12, 13]。
国内具有完整非晶纳米晶生产线的生产企业主要是安泰科技股份有限公司(非晶制品分公司和控股公司棗上海安泰至高非晶金属有限公司)、首钢冶金研究院、江西大有、北京冶科、上海爱晨,此外就是若干生产规模不大、品种相对较少的民营或集体企业;还有一些购买带材加工制作非晶纳米晶磁性器件的企业,生产规模有限。
但在这些企业中,真正具有研究开发技术力量的单位也只有安泰科技股份有限公司。
3 非晶纳米晶材料的生产工艺及性能特点3.1 生产工艺非晶合金材料的生产由于其冷却速度高达106℃/s,必需采用独特的冷却方式才能实现。
纳米晶合金材料是在非晶材料的基础上通过特殊的热处理工艺使之部分晶化形成的,因此快淬技术制备非晶合金的生产工艺技术都可以借用来生产制造纳米晶合金材料。
通常非晶带材的制备方法是外圆法,这一方法已发展成为工业生产应用最广泛的实用方法棗单辊制带法,国外和国内的千吨级非晶带材生产线都是采用此方法制取非晶薄带的,生产工艺流程如图1所示。
国内还自主开发了没有在线卷取设备的单包、三包法制带机组,如图2所示(三包法),该设备简单实用,工艺流程短,自动化程度不太高,适合小规模生产,符合我国国情[1, 2]。
150m)非晶丝材的制备方法研究不少,比较实用的是采用内圆水纺法原理的喷丝法(50~和玻璃包覆拉丝法。
前者适合规模化工业生产,后者适合研究开发工作。
就目前来讲,丝材生产应用不太广泛,工艺装备发展有限[8, 9]。
非晶粉末的制备方法有雾化法、高能球磨法及非晶带材破碎法等。
由于目前设备工艺条件的限制,使用雾化法要想获得105℃/s的冷却速度并满足大规模工业生产及成本要求,确实非常困难;高能球磨法也同样面临工业生产及成本问题;根据我们的国情,非晶带材破碎法适合大规模工业化生产需要[2, 12~14]。
非晶薄膜的制备方法有真空蒸镀法、溅射法、化学气相反应沉积法等,由于它们与快淬技术制备非晶合金的技术工艺差异很大,其现状不太清楚[9]。
3.2 性能特点、组织结构及机理通过添加Si、B等元素利用快淬技术制成Fe基、Fe-Ni基和Co基非晶合金材料,其组织特征是原子排列呈现短程有序(1.5± 0.1nm),长程无序。
该类合金具有饱和磁感应强度高、磁导率高和高频损耗低等优异软磁性能。
从铁磁学的有关理论知道,各向异性常数是影响软磁性能的关键因素。
非晶合金中不存在磁晶各向异性;虽存在形状各向异性,但由于厚0.04mm)形状各向异性常数很小;没有晶界和夹杂;应力-磁致伸缩各向异性通度薄(0.02~过后退火工艺消除;电阻率高,高频特性好;感生各向异性存在,有利于通过横向和纵向磁场处理来充分利用非晶合金性能[1, 2, 5, 11]。
Yoshizawa等人首先发现,在Fe-Si-B非晶合金的基体中加入少量 Cu和M(M=Nb、Mo、W、Ta等),经适当温度晶化退火以后,可获得一种性能优异、具有bcc 结构的超细晶粒(约10nm)软磁合金,这就是纳米晶软磁合金。
由于纳米晶合金的磁性更加优异,尤其是它的初始磁导率高和高频特性好,引起国内外学者的大量研究,研制开发成各种各样的磁性器件应用于电力、电子技术领域。
纳米晶软磁合金的组织是在非晶组织基础上部分晶化而成的,其最终组织为bcc Fe(Si)+非晶的双相组织。
纳米晶软磁合金材料具有优异软磁性能的机理尚未完全清楚,但诸多学者研究认为晶粒尺寸细小使局域各向异性变小和磁致伸缩系数低于铁基非晶合金是两个关键因素。
磁致伸缩系数变小是与它主相为含Si、B的bcc Fe固溶体有关。
当晶粒尺寸达到纳米量级而小于交换长度L ex时,则这些无规则取向的小晶粒的磁晶各向异性将被平均而表现出很低的有效各向异性<K>,揭示了纳米晶软磁合金具有优良软磁特性的重要原因。
有效各向异性常数<K>值变小是由于有效各向异性<K>正比于D n(n>1),晶粒尺寸D减小,导致<K>变小,而合金起始磁导率μi =PμJs2/μ<K>,<K>值越小,值越大,矫顽力H c正比于D n(n=6, 2),D值小,Hc小[2, 10, 11]。
非晶纳米晶合金材料的优异软磁性能与其他软磁合金性能比较参见图3。
3.3 研究开发动态由于现代电子技术的发展,对电子元器件产品尺寸和性能的要求越来越高,尤其高频技术及电磁兼容技术的发展,给非晶纳米晶合金材料的广泛应用带来良好的商机,也促使非晶纳米晶行业通过研究开发,不断开发新材料、新产品,并努力提高现有非晶带材及制品质量。
主要研究开发工作有以下几个方面:·改进生产工艺技术装备,提高带材质量,使其达到剪切水平;·开发新型铁基非晶合金,形成高B s、低B r,满足大型脉冲电源需要;·开发新型钴基非晶合金,满足电力电子技术和高频电子技术需要;·开发新型FeCuMSiB系纳米晶合金,满足不同性能需要;·开发新型FeMB系纳米晶合金,进行技术储备;·非晶纳米晶软磁合金粉末及粉末制品;·开发具有巨磁阻抗效应的钴基非晶和纳米晶合金磁敏材料;·非晶纳米晶薄膜磁性材料,即借助镀膜技术制成磁性薄膜;·大块铁磁性非晶合金,解决合金材料的成本高、需要添加Zr(易氧化)、Ga(贵且少)等元素及块体尺寸太小等问题[2~9, 11~15]。