一种Fe基非晶纳米晶粉末研讨

在我国“碳达峰,碳中和”和世界能源大变革的重大战略背景下,以光伏、风力发电、新能源以及电动汽车为代表的领域蓬勃发展,这对电子元器件提出了可承受大电流、大功率的要求。

磁粉芯是指对金属软磁粉末进行绝缘包覆,然后通过模压成型和退火热处理后得到的一类软磁复合材料。磁粉芯具有饱和磁感应强度高、温度稳定性好、直流偏置性能优异等特点,已广泛应用于光伏、风力发电、新能源和电动汽车装备中。

Fe基非晶/纳米晶合金软磁性能优异、经济性好,在制备高性能磁粉芯领域有广阔的前景。

首先是磁导率，反映的是材料在磁场中被磁化的难易程度。非晶结构的软磁材料磁导率比晶体结构的要高很多，意味着在相同磁场条件下，它更容易被磁化。

再则是矫顽力，它指的是把磁性材料的磁化强度降为零，需要施加的反向磁场强度。非晶结构软磁材料的矫顽力特别小，这意味着在磁化和退磁的过程中，它消耗的能量很低。就好比一辆车，启动和刹车时油耗特别低。而且，非晶结构不存在晶体结构特有的磁晶各向异性，其磁性能在各个方向上表现更均匀。

理论上，非晶材料没有晶界和周期性缺陷，所以强度更高，耐腐蚀性也应该很好。但在实际应用中，它的耐腐蚀性却没有达到理论预期。这是因为制造工艺对材料性能影响很大，导致实际和理论性能出现了偏差。不过，这也给科学家们提出了新的挑战，激励着大家不断改进制造工艺，让非晶纳米晶材料发挥出更大的潜力。

虽然非晶结构软磁材料具备较多的优异性能，但是由于Fe基非晶材料的非晶形成能力较低,使用雾化法来制备软磁性能好、批次稳定性高的Fe基非晶/纳米晶粉末存在着较大的困难和瓶颈。 

非晶纳米晶材料的形成与冷却速度密切相关。以雾化法为例，先将金属原料按特定配比制成包含各种元素的金属溶液。若采用缓慢冷却方式，溶液中的原子有充足时间规则排列，实现晶化过程，最终形成具有长程有序结构、明显晶界和晶力的晶体。

若要获得非晶态材料，则需极高冷却速度，即急速冷却。此时金属溶液会从完全无序状态瞬间凝固成无序的非晶状态。后续对非晶材料进行适当热处理，可促使其内部结构变化，形成纳米晶。纳米晶是晶粒尺寸在 1 - 100 纳米量级的晶体材料，微小的晶粒尺寸赋予其独特物理和化学性质。

非晶纳米晶主要分为铁基类(Fe)、镍基类(Ni)和钴基类(Co)。铁基材料通常采用雾化制粉法制备，即利用高速气流或其他方式将液态金属破碎成微小液滴，再迅速冷却凝固成粉末。

镍基和钴基材料大多采用甩带破碎法制作。该方法是将液态金属喷射到高速旋转的冷却辊上，使金属液在极短时间内快速冷却形成薄带，再把薄带破碎成粉末。

在无线快充等小型电子接受端领域，非晶纳米晶材料已占据主流。与传统铁氧体软磁材料相比，铁基非晶纳米晶优势明显。铁氧体材料磁导率较高，但饱和磁感应强度(Bs)较低。Bs 是磁性材料磁化时，磁场强度增加到一定程度后，磁化强度不再明显增加时对应的磁感应强度值，反映材料存储最大磁能的能力。

铁基非晶纳米晶不仅磁导率高，Bs 值也高，能更好满足高性能电子器件向低能耗、高功率、小型化和高频化发展的需求，代表了国际上下一代高端软磁材料的重要发展方向。

此外，非晶纳米晶粉末在形貌上具有良好球形度，这是因为非晶在急速冷却时收缩速度极快，自然收缩成球形结构。

面向智能家居、物联网、中国制造2025等立足于电子领域产业发展对高性能软磁材料的需求，针对传统金属软磁材料微细球状粉末难以获得、高频损耗高等问题，通过开发高性能非晶纳米晶软磁合金、粉末制备技术及装备，突破非晶纳米晶软磁粉末中试及应用技术和器件制备难题，实现非晶纳米晶软磁粉末及器件在电子产品上的示范应用。

基于此目标，本公司开展工作主要包括：

1）新型非晶纳米晶软磁粉末制备技术开发及装备研制；

2）大非晶形成能力、高饱和磁感应强度非晶软磁合金开发；

3）非晶纳米晶软磁粉末软磁粉末绝缘包覆技术研究；

4）多场调控对软磁复合材料结构和性能的影响机制及机理研究；

5）非晶纳米晶软磁粉末在磁粉芯、模压电感等器件中的应用研究；

6）热喷涂非晶软磁涂层的制备及性能研究。

欢迎业界各位沟通指导，互相交流，共同进步！