材料科普：非晶及纳米晶 - 崛起中的高端制造核心材料

来源：今日新材料

非晶合金，也称金属玻璃、液态金属，是由合金材料熔体超急冷凝固，凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，组成它物质的分子(或原子、离子)不呈空间有规则周期性，没有晶态合金的晶粒、晶界存在。这种非晶合金具有许多独特的性能。

块体非晶合金具有的强度是其对应晶体的2-3倍，有着较高弹性应变极限、较低的弹性模量，在过冷液相区会出现超高塑性变形行为，其力学行为（如变形和断裂等）明显不同于晶态合金材料。

非晶合金种类繁多，仅从力学性能看，块状非晶包含至少三种不同类型：

1.室温脆性的但弹性应变极限很大（2%）的块体非晶合金，如ZrTiCuNiBe（锆钛铜镍铍合金）
2.室温有塑性但是无加工硬化的块体非晶合金，如PtCuNiP（铂铜镍磷合金）
3.室温有塑性又有加工硬化的块体非晶合金，如 CuZrAl（铜锆铝合金）

由于非晶合金的制备需要超急冷凝固，技术难度较高，设备成本较高，且若尺寸较大内部难以实现非晶化，因此非晶合金的制造存在尺寸限制（最大临界尺寸）。大多数种类的非晶合金最大临界尺寸均在10mm以内，1997年发明的Pd基合金达到72mm，但与其他合金相比仍有较大差距，一定程度上限制了非晶材料的应用。

纳米晶合金是在非晶态的基础上，通过特殊的热处理，让它形成晶核并长大，但控制晶粒大小在纳米级别，不形成完全的晶体，这时形成的结构就是纳米晶，实际上是非晶和纳米晶的混合结构。与对应的非晶材料相比，纳米晶合金表现出更佳的强度、硬度，更良好的韧性，更小的弹性模量和延展性等特点。

1.2 我国非晶合金起步较晚发展快 目前已位居国际第一梯队

1970s我国开始对非晶合金材料进行了研究，虽然起步较晚，但其发展迅速。目前我国万吨级带材生产线投产，拥有配电用非晶宽带企业11家，设计产能35万吨；纳米晶企业240家，设计产能4.6万吨；非晶粉末企业6家，块体非晶企业11家。

非晶板带材制造主要依靠熔体态急冷法，分为单辊法和双辊法。经过数十年来的发展，该技术已较为成熟，欧美及国内多家企业均已实现大规模批量生产。

非晶合金镀层是指通过特殊处理方式，在产品表面形成一层薄非晶合金薄膜，从而具备高强度、高硬度、优异的耐磨性能、优异的耐腐蚀性能。国外已将非晶合金镀层应用于钻井钻具、注水往复泵柱塞、水电站转轮室抗气蚀、船舶防腐、发动机制造等多领域。非晶合金镀层（非晶合金膜）的制备方法包括电解法、化学镀法、物理气相沉积法和化学气相沉积法等。

块状非晶合金是目前研究的重点领域。目前有多种工艺能够实现一定尺寸的非晶合金生产，但目前能够规模化的较少。块状非晶合金龙头宜安科技采用真空压铸以及类注塑成型技术。

1.4 非晶电机及无线充电有望拉动非晶及纳米晶材料需求增长

随着社会的进步和生产的发展，非晶态金属以及纳米晶涉及的领域将越来越广。

磁性领域中，非晶、纳米晶产品主要应用于智能电网中的智能电表、太阳能并网发电的光伏逆变器和小功率无线充电接收器。

智能电表是实施智能电网不可或缺的重要组成部分，随着智能电网的全面建设，智能电表将逐步替代传统电表，中国将成为全球最大的智能电表消费市场。紧密电流互感器是智能电表的关键元件，目前性能较好的主要是纳米晶互感器铁芯，有望迎来需求爆发。在太阳能光伏产业中，非晶Ｃ型铁芯主要用于光伏逆变器中的滤波电感。衡量非晶Ｃ型铁芯性能的主要指标是铁芯损耗，降低铁芯损耗对提高光伏逆变器的转换效率具有重要意义。

无线充电在医疗等领域应用较早，近年来随着材料端技术革新以及设备端升级加速，智能穿戴设备以及智能手机无线充电逐渐成为市场热点，而电动汽车无线充电作为未来科技也具有极大的想象空间。目前非晶纳米晶材料已成为小功率无线充电设备接收端的主流材料，随着无线充电手机及智能设备普及率提升，相关材料需求有望稳步增长；电动汽车无线充电目前尚未产业化，且由于大功率设备领域铁氧体性价比高于非晶纳米晶材料，目前设计方案多以铁氧体材料为主，但随着非晶纳米晶技术进步以及其他下游应用规模化以后带来的成本缩减，未来非晶纳米晶或在电动汽车无线充电领域与铁氧体具有一争之力。

非晶是一种新型软磁合金材料。其原子排序的无序性使得其软磁性能兼备了各种传统软磁材料的优点。国内方面，1998年上海置信公司引进美国GE公司的非晶变压器制造技术和非晶变压器生产线。中机联供于2006年投产3000t产能的非晶配电变压器铁心生产线，成为我国继置信电气之后能够规模化生产非晶铁心的企业。目前国内配电用非晶板带材企业已达11家，产能设计产能达到35万吨。

非晶合金变压器的优点在于其极低的控制损耗（可以比普通硅钢片铁心变压器的空损下降60～70%）。但由于其材质非常薄，而且脆，加工困难，无法用于生产大型电力变压器，目前只是在配电变压器领域有一定的应用。而且其成本相比普通硅钢片铁心变压器高不少。通常要十年以上才能收回成本差价。

尽管非晶变压器需求收缩较为明显，但使用非晶定子铁芯的非晶电机或成为非晶电力领域的新需求。根据《高速电机用非晶、纳米晶定子铁心研究》，在相同的频率和磁密下，非晶定子铁芯的损耗不到传统硅钢定子铁芯的10%，纳米晶定子铁芯的损耗仅为硅钢定子铁芯的3%左右。影响非晶电机普及的主要是非晶材料加工工艺不成熟以及规模化生产之前价格较高的问题，但随着近年来企业加大相关投入，研究成果不断涌现，如北极鸥、湘电股份等企业已有可量产的非晶电机产品出现。未来随着技术进一步成熟，非晶电机或成为非晶材料在电力领域的新需求点。

目前，华为、小米、OPPO 等国内主要手机厂商Face-ID支架均已开始采用非晶合金材料，非晶合金在手机端的应用再度延伸。2017年华为整合国内非晶合金生厂商，正式将非晶合金材质应用于手机部分硬件中。2020年2月其推出的第二代升级版折叠屏手机MateXs铰链选用锆基非晶合金，2020年9月柔宇推出的FlexPai2折叠屏手机也部分采用了非晶合金材质，与苹果手机采用的钛合金材料相比强度更高更耐用，能够更有效地防止屏幕的过度机械伤害。

航天领域中，非晶合金凭借其无通道效应的特点已被用于制造太阳风搜集器，并被选作火星探测计划中钻探岩石的钻头保护壳材料，未来随着制造工艺进步应用领域有望进一步拓展。

国内外研究机构一直致力于探索非晶合金作为高性能材料应用于航空航天领域的应用研究。根据金太阳(300606.SZ)2019年12月公告，该公司与中国空间技术研究院开展航天器用非晶合金反射镜样品试制和验证试验方面的技术合作，其研究成果主要应用于空间光学遥感器，对成像卫星的成像质量起到关键作用。非晶合金作为反射镜及镜框一体化制造的新型材料，能大幅缩短航天器反射镜制备工艺流程，提升成像精度，相关技术落地将进一步推动非晶合金在基础科学与工程领域的交叉融合。

3. 纳米晶材料—无线充电小型设备接收端主流材料

无线充电技术可以分为四种类型：第一类是通过电磁感应进行短程传输，它的特点是传输距离短、使用位置相对固定，但是能量效率较高、技术简单，很适合作为无线充电技术使用。第二类是将电能以电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁共振”等形式传输，它具有较高的效率和非常好的灵活性，是目前业内的开发重点。第三类是“电场耦合”方式，它具有体积小、发热低和高效率的优势，缺点在于开发和支持者较少，不利于普及。第四类则是将电能以微波的形式无线传送——发射到远端的接收天线，然后通过整流、调制等处理后使用，虽然这种方式能效很低，但使用最为方便。

3.2 无线充电手机软磁材料中纳米晶材料为最优选择

无线充电场景涉及电生磁与磁生电的过程，磁场的改变会在金属中形成感应电流（涡流效应），从而弱化磁场强度并产生热量。而隔磁材料的加入可以使得大部分磁力线聚集并通过磁性材料而非通过金属层，从而提高磁场强度，并降低热量。目前较为常见的隔磁材料包括铁氧体、铁基非晶及铁基纳米晶材料等。

软磁铁氧体：生产成本低，磁导率虽然较低，但在不同频率下磁导率相对稳定。缺点在于加工成薄片容易断裂破碎，成品率低。同时其饱和磁感应强度不高，需要更大的厚度， 防止大电流充电时磁片饱和导致的失效及发热，难以满足手机等电子设备小型化对材料超轻超薄的需求，通常用作发射端或大功率设备的接收端。

非晶合金：很高的磁导率、低的矫顽力和磁损耗以及高的饱和磁感强度；同时强度高、耐磨损。缺点在于热处理后材料韧性下降，后续加工难度较大，生产效率难以保证。纳米晶：兼备了铁基非晶合金的高饱和磁感应强度Bs和钴基非晶合金的高磁导率特性。虽然纳米晶合金的 Bs值低于铁基非晶和硅钢，但其在高磁感下的高频损耗远低于后者，并具有更好的耐蚀性和磁稳定性。纳米非晶材料的磁导率、充电效率要高于铁氧体，而且可以做到柔软超薄，是目前小型无线充电设备的主流材料。缺点在于磁导率随频率上升降低的较快、材料容易破碎后续加工难度大、价格相对铁氧体更高。

3.3 无线充电市场发展迅速 有望带动纳米晶需求

近年来，随着无线充电技术逐渐发展，无线充电在手机已经有普及的趋势，在穿戴领域也有很多产品融入日产生活，未来在家居、办公室、公共场所、出行工具、交通等多种场合都有望迎来无线充电产品的普及。2019年无线充电手机销售量接近4亿台，到2024年有望超过12亿台。随着无线充电市场规模不断增长，纳米晶材料有望迎来需求爆发。

原文链接：

https://www.toutiao.com/i6885963198508302852/?tt_from=weixin&utm_campaign=client_share&wxshare_count=1&timestamp=1603365153&app=news_article&utm_source=weixin&utm_medium=toutiao_ios&use_new_style=1&req_id=202010221912330101300361390E029CF7&group_id=6885963198508302852