一、納米晶軟磁合金材料特性及制備技術(shù)
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1. 什么是納米晶？
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首先要知道什么是非晶。金屬在制備的過(guò)程中，從液態(tài)到固態(tài)是個(gè)自然冷卻慢慢凝固的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程中原子會(huì)自行重新有規(guī)則的排列，這時(shí)形成的結(jié)構(gòu)就是晶體，實(shí)際上是多晶的結(jié)構(gòu)。如果在它的凝固過(guò)程中，用一個(gè)超快的冷卻速度冷卻，這個(gè)時(shí)候原子在雜亂無(wú)序的狀態(tài)，還來(lái)不及重新排列就會(huì)瞬間被凍結(jié)，這時(shí)候形成的結(jié)構(gòu)就是非晶態(tài)。納米晶是在非晶態(tài)的基礎(chǔ)上，通過(guò)特殊的熱處理，讓它形成晶核并長(zhǎng)大，但要控制晶粒大小在納米級(jí)別，不要形成完全的晶體，這時(shí)形成的結(jié)構(gòu)就是納米晶。
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2. 非晶是如何制備的？
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非晶的制備過(guò)程原理非常簡(jiǎn)單，就是將母合金融化后，通過(guò)噴嘴包噴射在一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥上，瞬間冷卻形成像紙一樣薄薄的帶子，但是整個(gè)工藝實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度非常大，它有幾個(gè)特點(diǎn)：
高溫，液態(tài)合金的溫度基本在1400℃~1500℃，瞬間凝固到接近室溫，需要極高的冷卻速度，冷卻速度達(dá)到了每秒百萬(wàn)度的級(jí)別。
高速，除了冷卻速度快外，就是噴帶的速度也非常快，30m/s，這就好比一顆子彈剛剛飛出去的速度，而要把接近子彈速度的物體抓住是非常困難的。在1988年的時(shí)候，鋼研就實(shí)現(xiàn)了重大技術(shù)突破，帶材噴出的瞬間就被抓住，并實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)自動(dòng)卷取，這項(xiàng)技術(shù)突破上了當(dāng)年中國(guó)的十大科技新聞。
高精度，噴出帶材的厚度20-30μm，非常薄，這樣的精度控制是通過(guò)噴嘴包下面的狹縫及輥?zhàn)扉g距的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。
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3. 納米晶合金的制備方法
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納米晶軟磁合金是非晶態(tài)帶材通過(guò)特殊的熱處理工藝實(shí)現(xiàn)的。首先把具有特定成分的非晶態(tài)帶材放進(jìn)熱處理爐里通過(guò)定向控制生成100納米以?xún)?nèi)的晶粒，實(shí)際上形成的是非晶和納米晶的混合結(jié)構(gòu)。
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4. 納米晶合金的優(yōu)點(diǎn)
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納米晶和鈷基非晶、鐵氧體相比，它具有飽和磁感高，可以減小磁性器件體積。磁導(dǎo)率高，損耗小，矯頑力小，可以降低磁性器件損耗，因此，納米晶合金是高頻電力電子應(yīng)用中的最佳軟磁材料。
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5. 納米晶合金的特性
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當(dāng)前無(wú)線(xiàn)充電Qi標(biāo)準(zhǔn)的頻率在100-200k之間，在此頻率下，納米晶的磁導(dǎo)率和鈷基非晶的磁導(dǎo)率非常的接近，明顯高于鐵基非晶和鐵氧體，而損耗卻恰恰相反，明顯低于鐵基非晶和鐵氧體。
納米晶在溫度應(yīng)用方面也有優(yōu)勢(shì)，納米晶不僅在應(yīng)用溫度比鈷基非晶和鐵氧體都要寬外，在-40℃-120℃范圍內(nèi)，納米晶的穩(wěn)定性也明顯優(yōu)于鐵氧體。
在磁性材料設(shè)計(jì)方面納米晶也具備明顯的優(yōu)勢(shì)，納米晶可以定向控制磁導(dǎo)率和抗飽和磁場(chǎng)。納米晶的磁導(dǎo)率可在1000-30000內(nèi)隨意可調(diào)。磁性材料的設(shè)計(jì)，要求在特定的工作電流下，不要達(dá)到磁飽和，一旦達(dá)到磁飽和，就會(huì)停止工作，納米晶可調(diào)抗飽和磁場(chǎng)可達(dá)30~350A/m，使得無(wú)線(xiàn)充電的應(yīng)用范圍更寬。無(wú)線(xiàn)充電用導(dǎo)磁片是定制化產(chǎn)品，每一個(gè)項(xiàng)目的要求都不同，從2015年至今，安泰已經(jīng)做了不下十余款量產(chǎn)產(chǎn)品，沒(méi)有一款性能要求是相同的，都需要特殊的設(shè)計(jì)和匹配。無(wú)線(xiàn)充電模組就好比是為手機(jī)精心設(shè)計(jì)的一把鎖，納米晶導(dǎo)磁片就好比是打開(kāi)這把鎖的鑰匙，一把鑰匙配一把鎖，納米晶可實(shí)現(xiàn)最佳匹配。
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6.幾種
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鐵基納米晶與鐵基非晶、鈷基非晶、鐵氧體之間的比較：
飽和磁通密度：鐵基納米晶除了比鐵基非晶略低一點(diǎn)外，明顯優(yōu)于鈷基非晶和鐵氧體；
在矯頑力、初始磁導(dǎo)率、飽和磁致伸縮系數(shù)、居里溫度、性能變化率等方面納米晶全面優(yōu)于其他材料，因此，納米晶是最佳的軟磁材料。
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二、納米晶軟磁合金技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程
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國(guó)際上，非晶金屬是由美國(guó)人在1960年無(wú)意間發(fā)現(xiàn)的，直到1989年美國(guó)聯(lián)合信號(hào)公司做成產(chǎn)業(yè)，規(guī)模達(dá)到萬(wàn)噸級(jí)，之后于2003年將非晶業(yè)務(wù)賣(mài)給了日立金屬，目前在非晶方面，日立金屬產(chǎn)業(yè)化規(guī)模最大，安泰科技僅次于日立金屬，全球第二。
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納米晶是1988年日立金屬的Yoshizawa 等發(fā)明了納米晶合金，命名為Finemet，同年實(shí)施產(chǎn)業(yè)化，1994年實(shí)現(xiàn)千噸級(jí)規(guī)模。1992年德國(guó)VAC納米晶產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，命名為VITROPERM。2003年安泰科技建成百?lài)嵓?jí)生產(chǎn)線(xiàn)，產(chǎn)品命名為Antainano，到2013年完成千噸生產(chǎn)線(xiàn)擴(kuò)建，達(dá)到全球產(chǎn)業(yè)化規(guī)模最大，成為國(guó)際三大非晶、納米晶帶材制造商之一。
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國(guó)內(nèi)非晶合金的研究始于1975年，到1988年鋼鐵研究總院建成了百?lài)嵓?jí)的生產(chǎn)線(xiàn)，當(dāng)年還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)重大突破，就是在線(xiàn)卷取，具備了基本產(chǎn)業(yè)化雛形。1995年成立了國(guó)家非晶微晶合金工程技術(shù)研究中心，成為中國(guó)非晶、納米晶技術(shù)研究的先驅(qū)。直到1998年安泰科技成立，并建成了千噸級(jí)非晶帶生產(chǎn)線(xiàn)，才真正走向產(chǎn)業(yè)化，2010年獨(dú)立自主建成了萬(wàn)噸級(jí)非晶帶材生產(chǎn)線(xiàn)，2013年又完成了千噸級(jí)高端納米晶帶材生產(chǎn)線(xiàn)的建設(shè)，是國(guó)內(nèi)非晶、納米晶行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)。
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三、納米晶的發(fā)展趨勢(shì)
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隨著電子產(chǎn)品正在向高頻、節(jié)能、小型、集成化方向發(fā)展，應(yīng)用頻率也在不斷提高，帶材一代代更新。從最初的傳統(tǒng)制帶工藝（國(guó)內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)水平）厚度22-30μm，到現(xiàn)在帶材發(fā)展到三代、四代，用先進(jìn)制帶工藝（國(guó)際先進(jìn)生產(chǎn)水平）可做到14-22μm。而且掌握了更薄的制帶技術(shù)。納米晶帶材的發(fā)展趨勢(shì)就是超薄帶。
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1. 超薄納米晶帶特性
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帶材越薄損耗越低
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2. 導(dǎo)磁片批量化生產(chǎn)工藝變革
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從2015年導(dǎo)磁片批量化生產(chǎn)以來(lái)，工藝不斷變革，由片材逐漸過(guò)渡到卷材，大幅提高生產(chǎn)效率，滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的需求。
四、納米晶軟磁合金在無(wú)線(xiàn)充電中的應(yīng)用
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無(wú)線(xiàn)充電在手機(jī)已經(jīng)有普及的趨勢(shì)，三星和蘋(píng)果已經(jīng)形成標(biāo)配了，在穿戴領(lǐng)域也有很多產(chǎn)品，未來(lái)在家里、辦公室、公共場(chǎng)所、出行工具、交通都會(huì)有無(wú)線(xiàn)充電的普及，未來(lái)還會(huì)有電動(dòng)汽車(chē)的普及。
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1. 無(wú)線(xiàn)能量傳輸（WPT）：智能手機(jī)、智能穿戴（小功率）
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無(wú)線(xiàn)充電的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于變壓器，由發(fā)射端和接收端構(gòu)成，發(fā)射端和接收端都是由線(xiàn)圈和磁性材料構(gòu)成，磁性材料有不同的選擇，有鐵氧體、非晶、納米晶等。
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2. 軟磁屏蔽材料在無(wú)線(xiàn)充電中的作用
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隔磁屏蔽：為磁通量提供一條低阻抗通路，降低向外散發(fā)的磁力線(xiàn)，減少對(duì)周?chē)饘傥矬w的影響，防止產(chǎn)生渦流和信號(hào)干擾。
導(dǎo)磁降阻：提高耦合系數(shù)，提升磁電轉(zhuǎn)換效率，使用更少的匝數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高電感的線(xiàn)圈，降低線(xiàn)圈電阻，減少發(fā)熱帶來(lái)的效率降低（匝數(shù)越多，電阻越高）。
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3. 常用軟磁屏蔽材料類(lèi)型：
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4. 納米晶導(dǎo)磁片充電效率比較：
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模擬真實(shí)場(chǎng)景，在同等條件下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，采用不同厚度的納米晶導(dǎo)磁片和不同磁導(dǎo)率、不同厚度的鐵氧體做了充電效率比較。隨著厚度的增加，充電效率在不斷提升，但納米晶不是越厚越好，到0.1mm時(shí)基本飽和，因此，在設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)充電模塊時(shí)，納米晶導(dǎo)磁片不需要做的太厚，會(huì)增加材料成本。鐵氧體的規(guī)律與納米晶類(lèi)似，磁導(dǎo)率越高，充電效率越高，厚度越厚，充電效率也越高，但在同等充電效率下，納米晶磁片的厚度僅為鐵氧體的一半。
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5. 智能手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電發(fā)展歷程
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2012年諾基亞推出無(wú)線(xiàn)充電手機(jī)Lumia 920，所用的磁性材料是硬質(zhì)鐵氧體。2013年一款銷(xiāo)往海外的手機(jī)HiKe 868設(shè)計(jì)了無(wú)線(xiàn)充電和NFC的集成，配備的磁性材料是WPC-鐵氧體（剛性） 、NFC-鐵氧體（柔性）。2015年手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電發(fā)生了里程碑式的變化，三星推出首款無(wú)線(xiàn)充電旗艦手機(jī)Galaxy S6，不僅兼容兩種無(wú)線(xiàn)充電的標(biāo)準(zhǔn)，WPC和PMA，還配置了兩種支付標(biāo)準(zhǔn)NFC和MST，匹配用的軟磁屏蔽材料除了鐵氧體外，首次使用了非晶導(dǎo)磁片，使得手機(jī)不僅做的輕薄精美，還大幅提升了無(wú)線(xiàn)充電效率。到2016年三星又做了改進(jìn)，把磁性材料全部換成了更加先進(jìn)的納米晶導(dǎo)磁片，引領(lǐng)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的變革，始終處于領(lǐng)先地位。從這幾年的發(fā)展歷程看，在功能上從單純的無(wú)線(xiàn)充電加上了NFC和MST近場(chǎng)通訊的功能。磁性材料則從鐵氧體逐漸過(guò)渡到納米晶。
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6. 應(yīng)用案例
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納米晶在無(wú)線(xiàn)充電的應(yīng)用是從S7開(kāi)始，一種材料實(shí)現(xiàn)所有功能，取代了非晶和鐵氧體的組合。一般認(rèn)為，用于NFC的軟磁材料，鐵氧體是最佳的，而認(rèn)為納米晶不適合，因?yàn)樵诟哳l，納米晶的損耗遠(yuǎn)大于鐵氧體，但是三星恰恰做了突破，S7的成功應(yīng)用證明了納米晶是可以用于NFC的，隨后的S8/N8/A7/J5/J7等眾多型號(hào)產(chǎn)品，將納米晶的應(yīng)用從WPC擴(kuò)展到NFC和MST。
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我們?cè)诎l(fā)射端也做了一些嘗試，用納米晶導(dǎo)磁片做了幾款無(wú)線(xiàn)充電器產(chǎn)品，有多工位、多功能等特色產(chǎn)品，性能沒(méi)有任何問(wèn)題，現(xiàn)在唯一的問(wèn)題就是導(dǎo)磁片的成本比鐵氧體高。
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7. 手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電發(fā)展趨勢(shì)：
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功能：WPC→WPC+NFC→WPC/Airfule+NFC
無(wú)線(xiàn)充電——無(wú)線(xiàn)充電+——隨意充
功率：5W→7.5W→10W→15W
慢充——普充——快充——閃充
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8. 導(dǎo)磁片發(fā)展趨勢(shì)：
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接收端：吸波材料→鐵氧體→非晶+鐵氧體→納米晶
納米晶導(dǎo)磁片：
薄——超薄: 0.14→0.12→0.11 →0.10
高磁導(dǎo)、低損耗——高Q
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9. 應(yīng)用與普及：
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小功率：手機(jī)、智能穿戴等 ?
中功率：電腦、廚房家電等 ?
大功率：電動(dòng)汽車(chē)、道路等基礎(chǔ)設(shè)施
未來(lái)，將是無(wú)線(xiàn)的世界，改變生活，改變世界。
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