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生的電損失（鐵損）較大的缺點。日本東北大學教授牧野彰宏等開發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，可節約相當于7座火力發電站的電力。

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

*軟磁性材料＝頑磁力小，導磁率大的磁性材料。
*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：實現低鐵損和高飽和磁通密度的納米結晶材料 采用以P及Cu等的合金的非晶包圍10nm左右的α-Fe結晶的構造。可從非晶狀態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，但為了開發出在大型馬達上也可使用的材料，日本東北大學正在與企業共同推進研究。

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。原因是軟磁性材料的開發中鐵損與飽和磁通密度是相關的要素（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 導磁率越高，鐵損就越低。不過，越是提高導磁率，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。此次開發的納米結晶材料打破了這一常識，同時實現了高導磁率和高飽和磁通密度。

　　比如，在鐵損低且導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分之一左右。而飽和磁通密度高的Fe及硅鋼與導磁率高的Co基非晶合金等比較，導磁率要小1位數以上。

　　此次的納米結晶材料在擁有與以往高導磁率材料相當的低鐵損的同時，還擁有與硅鋼相當的高磁通飽和密度，具有顛覆以往常識的性能，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晶材料，便可通過減少鐵損，實現節能。

　　在電壓器及馬達的線圈內側設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，此次的材料能夠實現減少一位數或僅為數分之一的小數值（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總耗電量的3.4％，這一數量每年高達335億kWh之多（圖4）。如果能夠將變壓器及馬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座火力發電站的發電量。今后通過改進優化材料，還有望將鐵損進一步減至一半以下，降低為40億kWh。

圖3：鐵損少的納米結晶材料 注意一下1.5T以上部分的話，此次開發的納米結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世紀財團調查）。如果此次的納米結晶材料能夠應用于所有馬達及變壓器，便可節約相當于7座火力發電站的電力。

通過構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（高導磁率）與高飽和磁通密度成為相反的要素，以及東北大學是如何利用新材料來解決這一問題的。

　　首先，要想實現低鐵損或高導磁率，必須使磁各向異性*和磁應變*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變，因此導磁率較低（表1）。



*磁各向異性＝是指磁化方向不同，磁化強度各異的性質。
*磁應變＝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，就會發生電荷遷移，引起比添加金屬的比例更大的Fe磁化下降。結果導致原本有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變。從1970年代起開始使用通過改變原子的排列構造來實現軟磁性化的技術。

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

*非晶＝是指在原子排列上不像結晶那樣有規則性，而是無秩序的材料。

　　不過，純鐵的非晶化以現有的技術無法實現，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晶被開發出來。納米結晶擁有在α-Fe周圍包圍有非晶的構造。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變及磁各向異性，實現了高導磁率，而且與原來的結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，日本東北大學金屬材料研究所教授）

作者簡介：牧野彰宏
工學博士。1980年在日本東北大學研究生院畢業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系統科學技術部教授。2005年起任日本東北大學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納米結晶磁性合金研發項目”獲得日本金屬學會論文獎及該技術開發獎，并且2000年還因“非平衡相磁性材料及其應用項目”獲得日本金屬學會本金屬學會成就獎。





標簽：材料   高磁通   火力發電   

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