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標(biāo)題: 新一代磁材料(上） [打印本頁]
      

      
作者: 強(qiáng)天鵬    時(shí)間: 2011-12-30 17:21
      
標(biāo)題: 新一代磁材料(上）
      　　馬達(dá)及變壓器等處理強(qiáng)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(chǎng)變化所產(chǎn)生的電損失（鐵損）較大的缺點(diǎn)。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(shí)的特性。如果在日本的所有馬達(dá)及變壓器上均使用這種材料，可節(jié)約相當(dāng)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(shí)現(xiàn)低鐵損*和高飽和磁通密度*的特性。通過同時(shí)實(shí)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(shí)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(chǎng)，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(jià)格高漲的影響較小。 
      

      

       
      圖1：實(shí)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(píng)測(cè)材料的狀態(tài)，但為了開發(fā)出在大型馬達(dá)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(jìn)研究。 
      

      
打破軟磁性材料的常識(shí) 
      

      
　　鐵損低而飽和磁通密度高的材料盡管一直有市場(chǎng)需求，但長(zhǎng)期以來未能實(shí)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(huì)下降，而提高飽和磁通密度，鐵損又會(huì)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(huì)變得越低，因此低鐵損與高飽和磁通密度無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)。此次開發(fā)的納米結(jié)晶材料打破了這一常識(shí)，同時(shí)實(shí)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(dāng)?shù)牡丸F損的同時(shí)，還擁有與硅鋼相當(dāng)?shù)母叽磐柡兔芏龋哂蓄嵏惨酝ＷR(shí)的性能，具有劃時(shí)代的意義。 
      

      
總耗電量的3.4％為鐵損
      

      

      

      
　　以低鐵損實(shí)現(xiàn)高磁通密度的此次材料有望在需要強(qiáng)磁場(chǎng)的用途中大展拳腳。其中，尤其有望做出大貢獻(xiàn)的是在輸電網(wǎng)用大電流變壓器及馬達(dá)上的利用。這是因?yàn)椋绻軌蛟陔妷浩骷榜R達(dá)上使用此次的納米結(jié)晶材料，便可通過減少鐵損，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。 
      

      
　　在電壓器及馬達(dá)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(shí)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(dá)的鐵損一般占日本國(guó)內(nèi)總耗電量的3.4％，這一數(shù)量每年高達(dá)335億kWh之多（圖4）。如果能夠?qū)⒆儔浩骷榜R達(dá)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(dāng)于7座火力發(fā)電站的發(fā)電量。今后通過改進(jìn)優(yōu)化材料，還有望將鐵損進(jìn)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(gè)日本每年有335億kWh的鐵損（JFE 21世紀(jì)財(cái)團(tuán)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(dá)及變壓器，便可節(jié)約相當(dāng)于7座火力發(fā)電站的電力。

      

      
通過構(gòu)造改進(jìn)推進(jìn)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(shí)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(fù)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(qiáng)度各異的性質(zhì)。 
      
*磁應(yīng)變＝是指使磁性體的磁化強(qiáng)度變化的話，材料的形狀等也會(huì)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(huì)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(jìn)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?cè)拥呐帕袠?gòu)造來實(shí)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(shí)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(huì)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(huì)使Fe的磁化大幅降低。因此選擇Si及B等半金屬進(jìn)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(jìn)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(shí)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(jiǎn)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(jìn)入阿爾卑斯電氣。在擔(dān)任該公司中央研究所副所長(zhǎng)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(xiàng)目”獲得日本金屬學(xué)會(huì)論文獎(jiǎng)及該技術(shù)開發(fā)獎(jiǎng)，并且2000年還因“非平衡相磁性材料及其應(yīng)用項(xiàng)目”獲得日本金屬學(xué)會(huì)本金屬學(xué)會(huì)成就獎(jiǎng)。
      

      
 
      

      

      

      
標(biāo)簽：材料   高磁通   火力發(fā)電   
      

      
作者: ZGP    時(shí)間: 2011-12-31 10:16
      
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