來源：光明日報(bào)

曾經(jīng)，一種奇怪的現(xiàn)象“潛伏”在人們身邊：在開燈或者接聽固定電話的瞬間，一旁正在播放節(jié)目的老式電視屏幕會出現(xiàn)轉(zhuǎn)瞬即逝的“雪花”。這主要是因?yàn)橹車娖魍娝查g的大電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場，致使老電視受到干擾。而如今，手機(jī)快充頭可讓手機(jī)在幾十分鐘內(nèi)充滿電且發(fā)熱更少，LED燈光線柔和且基本看不到閃爍，不同智能家居能穩(wěn)定運(yùn)行且互不干擾……從老電視的“雪花屏”到今天智能生活的種種便利，離不開一位默默無聞的“功臣”——電感器，它如同現(xiàn)代電子設(shè)備的“心臟”，讓電流有序流動、設(shè)備穩(wěn)定工作。

用納米技術(shù)敲開能源高效轉(zhuǎn)換之門

電感器是一種基于電磁能量轉(zhuǎn)換的磁性元件，主要用于調(diào)節(jié)電流、濾除雜波信號和保護(hù)電路。從手機(jī)、家電、新能源汽車，到光伏逆變并網(wǎng)、海陸空天安防，幾乎所有的電子設(shè)備都離不開它。電感器的核心組成是導(dǎo)線圍繞磁芯，其工作原理源于電磁感應(yīng)：當(dāng)電流通過繞在磁芯上的線圈時(shí)會產(chǎn)生磁場，當(dāng)電流發(fā)生改變時(shí)，該磁場便會像減震彈簧一樣“抵抗”電流的變化。

磁芯材料通常容易被外加磁場磁化產(chǎn)生磁性，撤掉磁場后磁性則消失。區(qū)別于撤掉磁場后磁性不易消失從而能夠吸引鐵塊的硬磁材料（即磁鐵），這種易磁化/退磁的材料被稱為軟磁材料。常見的軟磁材料有硅鋼、鐵鎳合金、鐵硅鋁合金以及錳鋅鐵氧體等。

當(dāng)前，第三代半導(dǎo)體碳化硅和氮化鎵的產(chǎn)業(yè)化，極大地推動了電子產(chǎn)品朝向高頻化、小型化、大功率和節(jié)能化發(fā)展。其中，高頻化有助于小型化和節(jié)能化。例如，超薄電視、智能手環(huán)等追求的小型化，手機(jī)和新能源汽車快充需要的大功率，以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對電力電子行業(yè)提出的節(jié)能化……這些都對磁芯用軟磁材料的性能提出了更高要求。

為什么要追求高頻化？這是因?yàn)殡娐饭ぷ黝l率越高，磁性元件的能量密度和能量轉(zhuǎn)化效率就越高，相同能量轉(zhuǎn)化需求下其尺寸就可以做得越小。常規(guī)工頻電力設(shè)備的使用頻段一般為50Hz，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低且電磁干擾少；而中高頻電力電子設(shè)備，如使用頻段在20kHz~100kHz的光伏逆變器、50kHz~150kHz的汽車充電樁、10kHz~1MHz的感應(yīng)加熱爐等，具有體積小、能量轉(zhuǎn)換效率高且動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。

我們可以用“公路汽車行駛狀況”來直觀理解不同頻率下的能量轉(zhuǎn)換情況。如果把頻率高低看作是車速，能量轉(zhuǎn)換效率看作是單位時(shí)間能順利通過某路段的車輛數(shù)，那么，相較于低頻模式，在高速行駛的高頻模式下，單位時(shí)間內(nèi)通過既定路段的車輛就會更多，即能量轉(zhuǎn)換效率更高。

然而，如同永動機(jī)不可能存在，磁芯的能量轉(zhuǎn)換效率也不可能隨著頻率的增加達(dá)到100%。磁芯在能量轉(zhuǎn)換過程中會發(fā)熱，這部分散失的熱量是無用能量損耗，主要包括磁滯損耗和渦流損耗。前者可以看作是汽車過彎時(shí)的被迫減速，主要來源于磁芯內(nèi)部磁疇沿著磁場方向的轉(zhuǎn)動阻力；后者則對應(yīng)于汽車高速行駛過程中發(fā)動機(jī)過熱造成車速的下降或肇事、拋錨等情形，主要來源于磁芯內(nèi)部由電磁感應(yīng)生成的渦流。這兩種損耗都隨頻率增加而增大，且渦流損耗會逐漸超越磁滯損耗，并在高頻下占主導(dǎo)。

如果把磁芯看作是發(fā)動機(jī)，那么不同軟磁材料做成的“發(fā)動機(jī)”性能各異。硅鋼、鐵鎳合金、鐵硅鋁合金等合金軟磁材料電阻率低，高頻工作下會因渦流損耗較大而發(fā)熱嚴(yán)重；同時(shí)，溫度升高又會降低磁導(dǎo)率等性能，致使磁芯工作效率不升反降，因此只適用于中低頻應(yīng)用。而得到中高頻應(yīng)用的錳鋅鐵氧體等非金屬軟磁材料不僅發(fā)熱嚴(yán)重，并且其飽和磁化強(qiáng)度小，易發(fā)生飽和失效，即這種“發(fā)動機(jī)”雖然支持高速行駛，但車速過快易導(dǎo)致拋錨。

顯而易見，傳統(tǒng)軟磁材料難以滿足電力電子設(shè)備高頻化、小型化、大功率和節(jié)能化發(fā)展需求?？茖W(xué)家于是將目光投向微觀材料世界，通過成分設(shè)計(jì)和工藝調(diào)控，開發(fā)出高頻乃至射頻下節(jié)能高效的納米晶磁芯，以納米技術(shù)敲開了高效能源轉(zhuǎn)換之門。這種包含納米晶軟磁材料的磁芯已被制成高頻變壓器、濾波電感器、功率電感器等器件，應(yīng)用于光伏、儲能、新能源汽車、超算等領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)磁芯，納米晶磁芯可支撐電子設(shè)備做得更小、更靜音、更加節(jié)能和高效，堪稱電力電子設(shè)備的“節(jié)能心”。

“納米樓房”+“非晶空地”打造高效磁芯材料

傳統(tǒng)軟磁材料和常見的金屬都屬于晶體，其內(nèi)部原子按周期性有序排列。如果把原子看作是磚塊，那么一個(gè)晶粒就是一座由磚塊整齊有序砌成的樓房，金屬粉末或塊體就是無數(shù)棟樓房組成的居民區(qū)，通常每座“樓房”尺度在微米到厘米級別。

納米晶軟磁材料是非晶/納米晶軟磁材料的簡稱，它是一種新型的微觀“居民區(qū)”。除了大片由原子整齊有序砌成長寬高在幾十到幾百納米的“樓房”（納米晶粒）之外，還有少量由原子混亂無序堆垛出來的“未發(fā)開區(qū)”（非晶區(qū)）。

這種微觀世界的精妙設(shè)計(jì)，使得納米晶磁芯展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合軟磁性能。一方面，納米晶磁芯表現(xiàn)出大電流和極寬頻率下的高磁導(dǎo)率。這是因?yàn)榇呕^程實(shí)質(zhì)是每個(gè)晶粒內(nèi)的磁疇隨外磁場方向轉(zhuǎn)動的過程，磁芯內(nèi)部晶粒越小，磁疇也越小，可以高速響應(yīng)磁場的變化，從而實(shí)現(xiàn)高磁導(dǎo)率；同時(shí)，有序的“樓房”和周圍無序的“未開發(fā)區(qū)”協(xié)同，二者磁致伸縮系數(shù)一正一負(fù)互相抵消，能極大地改善磁化各向異性，進(jìn)一步提高磁導(dǎo)率，并有效降低噪音。

另一方面，納米晶磁芯高頻下?lián)p耗很低、發(fā)熱少。這是由于納米晶細(xì)小晶粒以及非晶區(qū)的磁疇轉(zhuǎn)動阻力較小，磁滯損耗低，就像汽車的行駛路線越平直、轉(zhuǎn)向弧度越小，功耗就越小一樣；同時(shí)，高密度的納米晶晶界和納米晶/非晶相界，使得納米晶磁芯的電阻率遠(yuǎn)高于其他傳統(tǒng)磁芯，極大降低了高頻下主導(dǎo)的渦流損耗。正因如此，在高頻工況下,納米晶磁芯展現(xiàn)出傳統(tǒng)磁芯和非晶磁芯不可比擬的優(yōu)勢。

精準(zhǔn)調(diào)控“納米樓房”尺寸與數(shù)量

與傳統(tǒng)軟磁材料制備方式不同，納米晶軟磁材料很難一步實(shí)現(xiàn)“居民區(qū)”的建設(shè)，通常需要通過熔體快速冷卻成完全的非晶，再通過晶化退火的方式對微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確調(diào)控。

納米晶磁芯的制備可分為兩種，一是采用“旋淬制帶+卷繞成芯+退火”方式制備成磁導(dǎo)率和損耗較高的條帶卷繞磁芯，二是采用“霧化制粉+絕緣包覆+壓制成型+退火”工藝制備成形狀不限且磁導(dǎo)率和損耗更低的粉末冶金磁芯。其中，前者是將鐵基合金熔液以每秒百萬攝氏度的速度冷卻，再將制得的非晶帶材卷繞成非晶磁芯；后者是通過霧化技術(shù)，用高壓氣體將熔液擊碎成細(xì)小液滴，并快速冷卻成完全非晶粉末，將非晶粉末進(jìn)行絕緣包覆，壓制成非晶磁芯。二者都在后續(xù)的退火過程中，通過升溫加快原子運(yùn)動，使得非晶磁芯中混亂的原子重新排列，堆砌成整齊有序的納米尺度“樓房”。通過調(diào)整不同種類的原子配比和溫升參數(shù)，即可調(diào)控“樓房”的尺寸與數(shù)量，從而按需制備納米晶磁芯。

納米晶磁芯不僅是一種材料的革新，更是人類駕馭微觀世界、實(shí)現(xiàn)能源高效利用的智慧結(jié)晶。相關(guān)調(diào)研報(bào)告顯示，全球納米晶磁芯的市場規(guī)模呈現(xiàn)持續(xù)增長態(tài)勢，2023年全球市場銷售額已超過30億元，2030年有望達(dá)到69億元。當(dāng)我們用手機(jī)享受5G沖浪或駕駛電動汽車馳騁時(shí)，甚至不久的將來自駕飛行汽車旅游時(shí)，不妨想象那些藏在設(shè)備深處安靜工作的納米晶磁芯，它們正以精妙的原子之姿，化作節(jié)能之“心”，發(fā)出清潔能源時(shí)代節(jié)能高效的律動。

（作者：王明旭，系山東大學(xué)低空科學(xué)與工程學(xué)院副研究員）