非晶纳米晶软磁材料与电子变压器
1.前 言
随着电子技术的不断发展,有源器件的进步,电子产品体积和重量大为减少,这就推动了包括电子变压器在内的电子元器件向轻、薄、小的方向发展.电子变压器的生产工艺面临一场巨大的变革,电子变压器向高频化、低损耗、重量轻、体积小方向发展是必然的趋势,作为电子变压器核心部件的软磁铁芯将是这场变革的首当其冲元件,因而推广应用具有高饱和磁感、高初始磁导率和高频损耗低的非晶纳米晶软磁合金材料用作电子变压器磁芯将大大促进电子变压器的小型化,满足电子行业的发展需要.
目前随着纳米科学技术和快淬技术的发展,各种新型纳米材料如纳米晶粉末材料、纳米薄膜材料和纳米颗粒膜材料等不断开发出来,这些新型纳米材料,一旦产业化,将大大促进电子变压器向高频、小型化、片式化方向发展.
2．非晶纳米晶合金材料在电子变压器中的应用
一般来讲,电子变压器对其铁芯材料主要有以下要求:(1)高的饱和磁感;(2)尽可能低的高频损耗;(3)高的初始磁导率;(4)高的居里温度和良好的温度稳定性;(5)环境稳定性好,对应力不敏感;(6)有些用途如脉冲变压器还要求高的矩形比Br/Bs或低Br.非晶纳米晶软磁合金材料由于其带厚和电阻率等因素决定在50~1000kHz范围内(通常在几百kHz以下)能达到上述性能要求,这使得非晶纳米晶合金目前在这一频段内开发应用非常活跃,已研制成各种各样的磁性器件广泛应用于电力工业、电子工业及电力电子领域,用作电流互感器、开关电源、逆变电源和程控交换机电源的变压器、电抗器、滤波器以及抗EMI器件等.
3．非晶纳米晶合金应用中值得说明的几个问题
虽然非晶纳米晶合金在我国已有20余年的应用历史,但仍有不少使用者对这类材料应用有些疑虑,本人认为有必要在此说明一下:
(1)．非晶纳米晶合金的时效稳定性问题
非晶合金是从液态金属急冷而形成的,处于热力学亚稳定态,有向晶态转变的趋势.一旦发生严重晶化,合金磁性能将不复存在,故此有人担心非晶纳米晶合金铁芯使用中会因时效导致性能恶化.但实际上这种担心是多余的,一方面晶化要发生在非晶晶化温度(>350℃)以上,而实际使用中电子器件的工作温度不超过200℃,另一方面非晶纳米晶合金铁芯使用前均经过300℃一小时以上的退火热处理,结构已相当稳定,国内外这类铁芯20余年的应用历史也表明不会发生时效而导致性能变化.
(2)．非晶纳米晶合金合金的温度稳定性问题
由表1可知非晶纳米晶合金居里温度为300~560℃,远高于铁氧体等软磁材料.实际用于**产品的温度试验结果也表明在-55~150℃范围内,非晶纳米晶合金磁性能的变化在5~10%,满足其性能要求,而且这种变化随温度是可逆的.因此该类合金材料具有良好的温度稳定性.
(3)．非晶纳米晶合金的耐冲击振动问题
非晶纳米晶合金制成的磁性器件的耐冲击振动性能是非常可*的.非晶纳米晶合金制品已成功应用于**产品,这些电子产品都需要进行严酷的耐冲击振动试验,有的高达30G,一般都是在铁芯装盒灌封后单独或随整机进行试验,均未发生过性能恶化问题.对于民品来讲更不会存在耐冲击振动问题.
(4)．非晶纳米晶合金铁芯的规格标准化问题
目前,非晶纳米晶铁芯制品大多数情况下是用来替代其他软磁材料如硅钢、坡莫合金和铁氧体,这种先入为主的原则决定了非晶纳米晶合金铁芯的规格标准只能参照借用其它铁芯规格标准,满足用户使用要求.好在大多数这类铁芯都是合金薄带卷绕制成的,工艺简便,铁芯尺寸灵活性大,可以依据用户要求的尺寸规格来加工制造.当然非晶纳米晶合金的磁性能与其他材料不同,不能完全照搬其它材料铁芯的规格标准,有时也需要稍作调整.
4.值得关注的非晶纳米晶软磁合金材料研究进展
非晶纳米晶软磁合金材料随着纳米科学技术和快淬技术迅速发展,不仅现已产业化的薄带产品性能、质量大大提高,而且还在研制开发非晶纳米晶合金粉末及粉末制品、薄膜材料、复合材料等,这些新型纳米材料的研制开发及产业化将对电子变压器行业产生极大的潜在影响.作者认为以下几个方面值得电子变压器行业同仁们关注:
(1).非晶纳米
合金薄带脆性大大改善
近些年来国外非晶薄带生产企业已完全解决非晶制带技术关键,生产出高性能高质量合金薄带,达到可以剪切加工.国内企业积极进行技术改造和技术进步,基本解决非晶制带技术关键,一旦实现真正产业化突破,电子变压器同仁们所担心的冲剪问题就不存在了.
(2).非晶纳米晶合金粉末及粉末制品开发应用
非晶纳米晶合金粉末及粉末制品研究开发拓宽了该类合金材料在电子技术领域,用作各种高频电源的滤波电感、贮能电感和PFC技术中电感器件的磁粉芯产品已经产业化、系列化,其磁导率μe在100以内,基本满足高频电感器件的需要.
由于目前非晶纳米晶合金粉末大多是以非晶薄带破碎制粉,在粉末制备及纳米晶化处理方面存在一些问题,难以采用常规粉末冶金工艺思路解决,如非晶粉末颗粒硬而扁平,成形加工难等.但如借助于纳米科学技术及快速凝固技术是有可能获得球形或近球形非晶纳米晶粉末颗粒,这对粉末制品制备大大有利,且可以大大提高粉末磁芯性能.这类材料研究开发在电子变压器行业至少存在下列潜在应用市场:(1)电子变压器用粉末磁芯,国外已有磁导率μe达到6000粉末铁芯的研究报道,如这类粉末铁芯用作电子变压器磁芯,就可像目前铁氧体生产那样制备粉末铁芯,但其性能远远优于铁氧体材料,其影响可想而知.(2)纳米磁性液体的磁介质,纳米磁性液体用作电子变压器磁芯的研究开发工作正在受人关注.
(3).非晶纳米晶薄膜材料
非晶纳米晶薄膜材料虽然其生产制备方法不同于我们现在使用快淬技术,但作为对未来电子变压器有着深远影响的新型纳米晶材料,值得同仁们关注.
随着表面安装技术、器件集成化技术和微制造技术迅速发展,把电子设备的小型化、轻量化、薄型化及微型化向前推进了一大步,实现上述要求的重要手段就是提高它的工作频率.传统软磁铁氧体材料虽然其电阻率高,但饱和磁感太低,工作频率只能到5~10MHz,超过这一频率其晶界将出现部分"短路",磁芯损耗急剧增加,导致磁性下降,因而超过上述频率后大都使用金属薄膜材料,研究开发应用新型具有高电阻率和高饱和磁感的薄膜磁芯材料也就有了应用市场,这也为非晶纳米晶薄膜、颗粒膜等材料开发应用提供了空间.另外由于目前研制的高电阻率和高饱和磁感的薄膜磁芯材料基本上都是采用溅射或电镀等工艺制备,这些工艺和设备早已应用于工业大生产中,这也将大大有利于非晶纳米晶薄膜材料、颗粒膜材料等产业