节能电磁材料的发展现状

     随着全球经济的快速发展和人们生活质量的不断提高，能源需求急剧增加，环境保护问题日益突出，节能环保已成为全球共识，世界各国都相继制定有关节能环保的政策和标准。节能减排也已成为我国的基本国策，国家“十一五”发展规划纲要明确提出“单位国内生产总值能源消耗降低20%左右”的目标，并出台节约能源法。材料是实现节能环保的基础，它涉及能源生产和消费的各个环节，目前以非晶、纳米晶等新型节能电磁材料（以下简称节能材料）的发展正在兴起。

1.    节能材料产业背景、现状及发展趋势

1.1逆变电源用磁粉芯材料产业背景、现状及发展趋势

     背景：目前以太阳能和风能等为代表的新能源，由于清洁干净、可再生等特点，是未来能源发展的重要方向，受到世界各国的重视，并迅速发展。太阳能和风能发电需要发电站，而逆变电源是发电站不可或缺的组成部分。磁粉芯材料作为各种储能电感和滤波电感大量应用于逆变器中。由于太阳能、风能发电成本相对较高，因此对转化率和中间环节逆变器的效率要求比较高，对于10KV·A逆变器的效率一般要求大于95%。逆变器效率的提高一方面依赖于结构的改进，另一方面依赖于所采用的磁性材料、半导体功率部件等损耗的降低。作为逆变器的储能和滤波部件，其损耗的降低及产业化成为重要的课题。

磁粉芯的发展在国内始于20世纪80年代，基于军事工业方面的需求和支持，目前MPP等xx磁粉芯的性能达到了较高水平，具备了一些技术和产业基础，但总体上规模较小，以满足国内需求为主。

     现状：目前大量应用于逆变电源的磁粉芯是Fe粉芯，其{zd0}特点是价格较低，其次是Fe-Si-Al磁粉芯、Fe-Ni磁粉芯和Fe-Ni-Mo磁粉芯。国内磁粉芯的供应以韩国CSC、Dongbu和美国Arnold、Magnetics的在华全资子公司为主，而国内虽然有798、东磁、科达及浩源等10余个厂家，但总体规模都不大。

     发展趋势：随着太阳能和风能等新能源快速发展以及电力电子行业的加工制造向国内转移，国内的磁粉芯需求迅速扩大，其产业以每年约40%的速度快速发展。但目前国内市场主要被美国、韩国等公司所主导。我国在自主生产方面主要在装备技术方面存在较大差距。

为了提高效率、降低成本、提高稳定性，对太阳能、风能等逆变器用滤波电感和储能电感的具体要求是低损耗、低成本、高温度稳定性和高饱和磁感应强度。Fe粉芯虽然成本低，但存在损耗高、稳定相差等问题。新型的Fe基非晶、纳米晶磁粉芯由于具有成本较低、损耗低、温度系数小等优点，成为未来磁粉芯材料发展的重要趋势。

1.2 非晶配电变压器铁芯材料产业背景及现状

      背景：国内配电变压器通常是指电压为35kV和10kV及以下、容量为6300kV·A以下直接向终端用户供电的电力变压器，它是配电网的重要组成部分。由于配电变压器使用数量巨大和空载耗电的固定性，变压器效率即便有微小的改进也能获得相当大的能源节约和减少温室气体的排放，因此存在着巨大的节能潜力。传统的配电变压器铁芯采用硅钢材料，其生产工艺复杂，使用中空载损耗较高。作为新一代变压器铁芯材料，非晶带材被誉为节能环保型“绿色材料”，其短流程的快速凝固生产工艺，节约制造过程能耗80%左右，非晶配电变压器铁芯在使用过程中空载损耗降低60%~80%，对电力配电系统节能减排具有重大意义。

     现状：目前在配电变压器中大量使用的非晶材料是Fe基非晶材料。1982年美国Allied Signal公司建成非晶带材连续生产厂，推出命名为Metglas的Fe基、Co基和FeNi基系列非晶带材，标志着非晶合金带材产业化和商品化的开始，该公司后被美国Honeywell公司合并，到1989年其年生产能力已达6万吨，目前已有300万台应用其铁芯的非晶配电变压器在世界各地正常运行。日本日立金属于2003年购买了美国Honeywell公司50%的股权，成为目前世界上{zd0}的配电变压器用非晶合金带材的制造商。

国内非晶材料研究开始于1976年，经过30多年发展，已有10余家可以规模化生产非晶合金带材及其制品的企业，其中铁基非晶带材的生产能力已经超过3000吨，安泰科技股份有限公司的产量已经位居国内{dy}，冶科金属以年产1500吨能力位居第二，但是还没有大规模配电变压器用非晶带材的生产厂家。目前，安泰科技股份有限公司正在兴建一条万吨级的非晶带材生产线，建成后改变我国配电变压器用非晶带材生产能力落后的现状。国内能够生产非晶变压器的厂家有上海置信、特变电工、山东鲁能、沈阳变压器、西安变压器等单位，其中上海置信占有国内80%的非晶变压器市场，其他几家规模比较小，它们所使用的带材全部来自于日立金属。

      发展趋势：目前非晶配电变压器中广泛使用的Fe基非晶带材制造技术基本成熟，已经形成巨大的应用市场。不过，从发展角度来看，制备技术仍然需要不断完善，来满足更高需求，生产上仍然需要向大规模发展，来满足降低成本的要求，材料体系仍然需要提高材料的饱和磁感应强度、减少矫顽力、降低损耗。总之配电变压器用非晶材料是朝着低成本、不断减少配电变压器的体积和节能降耗的方向发展。

从市场来看，目前对非晶变压器的年需求超过5万台，为来5年非晶变压器年复合增长率高达60%以上，预计2015年，我国非晶合金变压器需求量将达到60万台。

1.3 非晶、纳米晶热喷涂材料产业背景、现状及发展趋势

      背景：表面工程技术是重要的节能、节材手段，其{zd0}优势就是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，赋予材料耐磨损、防腐蚀、抗疲劳、耐高温等性能。热喷涂技术是表面工程领域中应用最广泛的技术之一，广泛应用于航空、航天、军事、纺织、机械、电力、石油化工、生物工程等各个领域，是一项具有广阔应用前景的技术，不仅延长材料使用寿命，节约制造能耗，而且已应用于电力生产中提高生产效率。热喷涂技术内涵主要包括热喷涂方法（设备、工艺）和热喷涂材料两个方面，随着现代工业技术发展，采用新的热喷涂方法和发展新的涂层材料，从而提高表面涂层的性能一直是热喷涂技术发展的重要课题。

      现状：目前大量应用于热喷涂材料的是Fe基非晶、纳米晶涂层材料，从涂层形成机理上可以分为两类，一类是喷涂加特殊处理法，通常采用激光重熔法和滑动摩擦法将热喷涂层处理为非晶涂层；另一类是直接喷涂成型法。全球主要生产厂家有美国的Nanosteel公司、Liquidmetal公司和Praxair TAFA公司，其中Liquidmetal公司生产的非晶电弧喷涂粉芯丝材已经占有全球70%~75%的石油市场；Nanosteel公司是非晶、纳米晶热喷涂材料的领导厂商，其产品在电力、石油、矿山等行业广泛应用，该公司曾两次获得美国R&D 100 Award大奖；Praxair TAFA公司本身不生产Fe基非晶、纳米晶涂层材料，而是拥有Nanosteel公司生产的两种Fe基非晶、纳米晶热喷涂丝材的{dj2}销售权。

国内非晶、纳米晶涂层材料的研究始于20世纪90年代，在粉末和丝材方面均有发展，目前非晶、纳米晶热喷涂丝材已经形成生产能力，生产厂家有安泰科技、赛亿、球冠和东方晶格等，不过总体生产规模比较小，尚处于市场发展初期。

       发展趋势：非晶、纳米晶涂层的形成依赖于喷涂方法和涂层材料，目前容易形成非晶涂层的热喷涂方法主要是等离子弧喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂等，它们的缺点是制备成本高、技术难度大，采用节能的电弧喷涂工艺师非晶、纳米晶涂层发展的趋势，对材料的要求就是需要开发出在较低冷却速率下易于形成非晶、纳米晶涂层的材料。

目前，针对恶劣环境下耐腐蚀、耐磨损涂层的开发应用时当前热喷涂领域的一个重点，尤以电力系统的应用最为典型，如火力发电机组的燃煤锅炉管壁承受高温、高压、烟气腐蚀，水电站的水轮叶片承受砂石磨损和汽蚀。采用节能的电弧喷涂工艺和低成本的铁基非晶、纳米晶涂层材料是解决上述问题的一个趋势。

1.4 低待机损耗材料产业背景、现状和发展趋势

      背景：终端电器待机损耗的迅速增长和由此引发的能源和环境问题越来越引起世界各国的广泛xx。据统计，当前终端电器的待机损耗总量已占民用电力消耗的3%~13%，在我国已占到家庭电力消耗的10%。待机损耗主要来源于开关电源主变压器的磁芯损耗，因此，低损耗磁芯材料是决定终端电器待机损耗的共性关键材料。纳米晶软磁合金材料为进一步提高变压器的转换效率、降低损耗提供了有效的解决方案。

      现状：目前在低损耗磁芯材料上已经得到应用或有较好应用前景的纳米晶合金有FINEMET系列（铁铜铌硅硼系，典型成分Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9）、NANOPERM系列（Fe-Zr-（Cu）-B-(Si)系，典型成分Fe86Zr7B6Cu1）和HITPERM系列三个系列体系。国际上规模化生产纳米晶合金的厂家主要有日本日立金属、德国VAC公司，它们均采用单包真空冶炼，半连续化生产，保护气氛下压力制带，喷制的带材厚度小于25um，韧性好，可辊剪，铁芯的叠片系数达到0.85以上。

国内在“十五”期间将纳米晶带材及其制品产业化开发列入重大科技攻关技术，推动了纳米晶材料应用开发的速度，目前纳米晶带材的产量已经超过1000吨，其中安泰科技是国内{zd0}的生产厂家。

      发展趋势：FINEMET系列Fe基纳米晶合金和NANOPERM系列Fe基纳米晶合金相对于非晶态软磁合金和传统的晶态软磁材料具有更优良的综合软磁性能。目前，国内外对FINEMET系列Fe基纳米晶合金已经进行了广泛深入的研究，该系列纳米晶合金带材及制品已具备成熟的规模化生产技术，产品已经大量应用于电力、电子和电子信息领域。

从目前的发展现状到2010年底，纳米晶超薄带材的发展趋势是厚度低于18um的纳米晶带材产业化生产，同时种类更多、成本更低、磁滞损耗更低的纳米晶体系被开发利用；到2015年底，实现纳米晶带材厚度低于10um，磁滞损耗低于0.1W/kg，实现终端电器待机损耗低于0.1W，甚至更低，实现零待机损耗，彻底解决数量众多的终端电器的巨大的待机损耗问题。