1K107非晶纳米晶材料及应用

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高起始磁导率快淬软磁钴基合金
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高频低损耗Fe-Si-B快淬软磁铁基合 1K206 金
淬态高磁导率软磁钴基合金 Fe-Ni-P-B快淬软磁铁镍基合金 Fe-Ni-V-Si-B快淬软磁铁镍基合金
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高频低损耗Fe-Nb-Cu-Si-B快淬软磁 铁基纳米晶合金
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。
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。
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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Allied Signal（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Allied Signal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。
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。
纳米晶铁芯
1.25 < 0.20 < 3.4 < 35 < 40
> 20,000 < 1.60 < 2 80 570 > 0.70
铁氧体铁芯
0.5 0.2 7.5 不能使用 不能使用
2,000 6 4 106 < 200 －
铁基非晶合金
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）；
铁基纳米晶合金
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10－20 nm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。
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
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
Φ
i1
U1
i2
u1
ZL
u1
U2
e1
e2 u 2
u2
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)
软磁材料铁芯发展
电力变压器
19世纪末
电磁元器件
铁粉、氧化铁、细铁丝等
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
牌号和基本成分
1K101 1K102 1K103 1K104 Fe-Si-B快淬软磁铁基合金 Fe-Si-B-C快淬软磁铁基合金 Fe-Si-B-Ni快淬软磁铁基合金 Fe-Si-B-Ni Mo快淬软磁铁基合金 Fe-Si-B-Cr(及其他元素)快淬软磁 铁基合金 1K201 高脉冲磁导率快淬软磁钴基合金 高剩磁比快淬软磁钴基合金 高磁感低损耗快淬软磁钴基合金 高频低损耗快淬软磁钴基合金
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。
纳米晶与铁氧体铁芯性能比较
基本参数
饱和磁感Bs（T） 剩余磁感Br（T）（20KHz） 铁损（20KHz/0.2T）（W/Kg） 铁损（20KHz/0.5T）（W/Kg） 铁损（50KHz/0.3T）（W/Kg）
导磁率（20KHz）（Gs/Oe） 矫顽力 Hc(A/m) 饱和磁致伸缩系数（×10－6） 电阻率(muOhm· cm) 居里温度(℃) 铁芯叠片系数
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。
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

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。
单位铁损 (1.3T,50Hz)
电阻率 密度
0.18W/kg
140μΩ.cm 7.18 g/cm3
1.2W/kg
50μΩ.cm 7.65 g/cm3
维氏硬度
饱和磁致伸缩系数 最大导磁率 厚度
860 hg/cm2
30×10-6 ＞200，000 0.02～0.04 mm
--10×10-6 ＞10，000 0.23～0.33 mm
纯铁、软钢和无硅钢
硅钢片
20世纪初

坡莫合金、坡莫合金磁粉 热轧磁性硅钢片 软磁铁氧体 冷轧无取向硅钢片 冷轧晶粒磁性硅钢片 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(High Flux)、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。
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 饱和磁感应强度 矫顽力 居里温度 1.56T ＜4A/m 415℃ 冷轧硅钢 2.03T ＞30A/m 745℃
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
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。