新一代磁材料(上）

　　馬達及變壓器等處理強磁的裝置要求采用可通過大磁通密度的材料。而此前的材料存在磁場變化所產(chǎn)生的電損失（鐵損）較大的缺點。日本東北大學(xué)教授牧野彰宏等開發(fā)出的材料具備高飽和磁通密度和低鐵損等超出以往常識的特性。如果在日本的所有馬達及變壓器上均使用這種材料，可節(jié)約相當于7座火力發(fā)電站的電力。

　　由日本東北大學(xué)開發(fā)并于2010年7月發(fā)表的“低損失高磁通密度納米結(jié)晶軟磁性材料*”，通過調(diào)整以往納米結(jié)晶材料的成分，獲得了可實現(xiàn)低鐵損*和高飽和磁通密度*的特性。通過同時實現(xiàn)低鐵損和高飽和磁通密度，有望在大功率設(shè)備上發(fā)揮出色的節(jié)能效果。

*軟磁性材料＝頑磁力小，導(dǎo)磁率大的磁性材料。
*鐵損＝在磁性材料周圍卷繞線圈，并在線圈中流過交流電流，使磁性材料磁化時消耗的電能。
*飽和磁通密度＝材料可通過的極限磁通量。即使以超過這一數(shù)值的磁通密度施加磁場，也無法獲得飽和磁通密度值以上的磁通量。

　　該材料按重量比含鐵93～94％。在構(gòu)造上，10nm左右的α鐵（α-Fe）粒子周圍具有非磁性層（圖1）。非磁性層的成分使用硅（Si）、硼（B）、磷（P）、銅（Cu）等普通元素，不含稀有金屬，因此受材料價格高漲的影響較小。

圖1：實現(xiàn)低鐵損和高飽和磁通密度的納米結(jié)晶材料 采用以P及Cu等的合金的非晶包圍10nm左右的α-Fe結(jié)晶的構(gòu)造。可從非晶狀態(tài)下通過熱處理器來制造。

　　雖然目前僅處于能夠制造評測材料的狀態(tài)，但為了開發(fā)出在大型馬達上也可使用的材料，日本東北大學(xué)正在與企業(yè)共同推進研究。

打破軟磁性材料的常識

　　鐵損低而飽和磁通密度高的材料盡管一直有市場需求，但長期以來未能實現(xiàn)。原因是軟磁性材料的開發(fā)中鐵損與飽和磁通密度是相關(guān)的要素（圖2）。減小鐵損，飽和磁通密度就會下降，而提高飽和磁通密度，鐵損又會變大。

圖2：軟磁性材料的特性 導(dǎo)磁率越高，鐵損就越低。不過，越是提高導(dǎo)磁率，飽和磁通密度變會變得越低，因此低鐵損與高飽和磁通密度無法同時實現(xiàn)。此次開發(fā)的納米結(jié)晶材料打破了這一常識，同時實現(xiàn)了高導(dǎo)磁率和高飽和磁通密度。

　　比如，在鐵損低且導(dǎo)磁率高的軟磁性材料中，鐵氧化物類的鐵氧體、鈷（Co）基非晶合金或鎳鐵合金（Ni-Fe）等廣為人知，但與飽和磁通密度極高的純鐵相比，這些材料的飽和磁通密度總的來說都在數(shù)分之一左右。而飽和磁通密度高的Fe及硅鋼與導(dǎo)磁率高的Co基非晶合金等比較，導(dǎo)磁率要小1位數(shù)以上。

　　此次的納米結(jié)晶材料在擁有與以往高導(dǎo)磁率材料相當?shù)牡丸F損的同時，還擁有與硅鋼相當?shù)母叽磐柡兔芏龋哂蓄嵏惨酝ＷR的性能，具有劃時代的意義。

總耗電量的3.4％為鐵損



　　以低鐵損實現(xiàn)高磁通密度的此次材料有望在需要強磁場的用途中大展拳腳。其中，尤其有望做出大貢獻的是在輸電網(wǎng)用大電流變壓器及馬達上的利用。這是因為，如果能夠在電壓器及馬達上使用此次的納米結(jié)晶材料，便可通過減少鐵損，實現(xiàn)節(jié)能。

　　在電壓器及馬達的線圈內(nèi)側(cè)設(shè)置的芯材要求能夠通過1.5T左右的磁通密度。這一用途一般使用硅鋼。如果在該硅鋼與此次的納米結(jié)晶材料之間比較以50Hz周期通過1.5T磁通密度時的鐵損，此次的材料能夠?qū)崿F(xiàn)減少一位數(shù)或僅為數(shù)分之一的小數(shù)值（圖3）。

　　在總用電量中占有比例的變壓器及馬達的鐵損一般占日本國內(nèi)總耗電量的3.4％，這一數(shù)量每年高達335億kWh之多（圖4）。如果能夠?qū)⒆儔浩骷榜R達中的硅鋼全部換成此次的材料，便可在同樣的使用條件下，將電力損失量減少72％，降至96億kWh。其效果相當于7座火力發(fā)電站的發(fā)電量。今后通過改進優(yōu)化材料，還有望將鐵損進一步減至一半以下，降低為40億kWh。

圖3：鐵損少的納米結(jié)晶材料 注意一下1.5T以上部分的話，此次開發(fā)的納米結(jié)晶材料即使與鐵損少的硅鋼相比，鐵損只有其一半左右。

圖4：鐵損造成的電力損失 整個日本每年有335億kWh的鐵損（JFE 21世紀財團調(diào)查）。如果此次的納米結(jié)晶材料能夠應(yīng)用于所有馬達及變壓器，便可節(jié)約相當于7座火力發(fā)電站的電力。

通過構(gòu)造改進推進軟磁性化

　　下面來談一下以往的軟磁性材料中為何低鐵損（高導(dǎo)磁率）與高飽和磁通密度成為相反的要素，以及東北大學(xué)是如何利用新材料來解決這一問題的。

　　首先，要想實現(xiàn)低鐵損或高導(dǎo)磁率，必須使磁各向異性*和磁應(yīng)變*極小化。而高飽和磁通密度方面，最好在材料中高濃度含有飽和磁通密度大的Fe元素。不過，純鐵本身具有很大的磁各向異性和負的磁應(yīng)變，因此導(dǎo)磁率較低（表1）。



*磁各向異性＝是指磁化方向不同，磁化強度各異的性質(zhì)。
*磁應(yīng)變＝是指使磁性體的磁化強度變化的話，材料的形狀等也會變化的現(xiàn)象。

　　從1900年前后開始研究的初期軟磁性材料為了減小Fe的磁各向異性和磁應(yīng)變，采用的是添加與Fe不同的金屬，減弱Fe要素的方法（圖5）。不過，添加其他金屬原子，減小Fe濃度的話，就會發(fā)生電荷遷移，引起比添加金屬的比例更大的Fe磁化下降。結(jié)果導(dǎo)致原本有2.2T的純鐵的飽和磁通密度受到極大損失。

圖5：軟磁性材料的進步 初期的軟磁性材料通過合金化嘗試降低磁各向異性和磁應(yīng)變。從1970年代起開始使用通過改變原子的排列構(gòu)造來實現(xiàn)軟磁性化的技術(shù)。

　　1970年代非晶*研究興起。有人曾嘗試使原子形成非結(jié)晶的非平衡狀態(tài)，也就是以幾何學(xué)方式打亂Fe原子的位置，由此來降低Fe的磁各向異性和磁應(yīng)變。這樣一來，盡管仍殘留有磁應(yīng)變，但基本消除了磁各向異性。

*非晶＝是指在原子排列上不像結(jié)晶那樣有規(guī)則性，而是無秩序的材料。

　　不過，純鐵的非晶化以現(xiàn)有的技術(shù)無法實現(xiàn)，要想制造出非晶材料，必須按原子比例添加20％左右的其他金屬元素。這最終會導(dǎo)致Fe的高飽和磁通密度減弱。如果做相同減弱的話，與金屬相比半金屬的電荷遷移更小，不會使Fe的磁化大幅降低。因此選擇Si及B等半金屬進行混合。

　　1988年，也在此次的材料中采用的納米結(jié)晶被開發(fā)出來。納米結(jié)晶擁有在α-Fe周圍包圍有非晶的構(gòu)造。通過使用液體淬火法形成非晶后進行加熱的方法來制造。該材料幾乎沒有磁應(yīng)變及磁各向異性，實現(xiàn)了高導(dǎo)磁率，而且與原來的結(jié)晶材料及非晶材料相比擁有更高的飽和磁通密度。（特約撰稿人：牧野 彰宏，日本東北大學(xué)金屬材料研究所教授）

作者簡介：牧野彰宏
工學(xué)博士。1980年在日本東北大學(xué)研究生院畢業(yè)后進入阿爾卑斯電氣。在擔任該公司中央研究所副所長后，1999年起成為日本秋田縣立大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)部教授。2005年起任日本東北大學(xué)金屬材料研究所金屬玻璃綜合研究中心教授。1992年和1995年因“高Bs納米結(jié)晶磁性合金研發(fā)項目”獲得日本金屬學(xué)會論文獎及該技術(shù)開發(fā)獎，并且2000年還因“非平衡相磁性材料及其應(yīng)用項目”獲得日本金屬學(xué)會本金屬學(xué)會成就獎。





標簽：材料   高磁通   火力發(fā)電   

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