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    安泰科技获特等奖系列报道——细说非晶|产业再攀高,创新赢未来

    发布时间:2021-09-15 16:25:23

    产业再攀高

    创新赢未来

     

    819日,中国钢铁工业协会、中国金属学会冶金科学技术奖评审结果揭晓,安泰科技牵头完成的宽幅超薄铁基纳米晶带材工程化技术开发及应用项目荣获冶金科学技术特等奖,这是安泰科技非晶纳米晶产业又一次实现跨越式发展的里程碑。

     

    来龙去脉

    非晶纳米晶合金特征及起源

      先从非晶说起。

      我们知道,物质是由原子构成的,如果内部原子排列整齐,有周期性,则这块物体为晶体。反之,如果内部原子排列没有周期性,混乱无序,则这块物体为非晶体。日常生活中的玻璃、塑料都是典型的非晶体。那么非晶合金,顾名思义,就是内部不存在晶体结构的合金,由于它与玻璃内部的原子排列一样混乱无序,故被俗称为金属玻璃

      物质从液态变成固态的过程叫凝固,凝固过程伴随热传递,物质需要放出大量热量。当凝固过程的热传递速度慢,获得的就是晶体,倘若凝固过程热传递的速度非常快,采用的是超快的冷却速度,就可获得非晶体。理论上讲,任何物质只要它凝固过程的热传递速度足够快,内部原子来不及整齐排列就被凝固,就可以形成非晶态,但是不同物质形成非晶所需要的冷却速度大不相同。例如,普通的玻璃只需在空气中冷却即可得到非晶态;而要获得非晶态的金属则需要每秒一百万度以上的冷却速度,一千摄氏度以上炽热的钢水凝固所需时间比一眨眼还短。

    1 非晶合金形成过程示意图

    像许多重大的科学发现一样,非晶合金的发现也是源自偶然。

    最初,在1959年,加州理工大学的Pol Duwez教授是为了在Cu(铜)-Ag(银)的二元合金中获得固溶体,建立了一套简单的、被称为“gun technique”的冷却装置。Duwez教授对采用该装置快速冷却获得的Cu-Ag合金薄片进行了研究,结果在该薄片中并未发现他想要的固溶体,但当时他猜想如果将这样的合金熔体更加快速冷却,将会得到怎样意外的结果呢?这个想法对非晶合金的制备启发很大。Duwez教授在研究快淬(快速凝固)的Au(金)-Si(硅)合金(含25%SiAu-Si合金)时,发现其内部没有晶体相的存在,此合金难道真的是非晶态(amorphous)吗?他打算延迟结果的发表,直到获得进一步的充分证据。但他的两个博士研究生William KlementRon Willens“初生牛犊不怕虎,急于发表结果,最终Duwez作出妥协,条件是他仅作为第三作者署名。论文标题也比较婉转,写成“Non-crystalline Structure in Solidified Gold-Silicon Alloys”。就是这篇发表在196093日出版的《Nature》上第869页仅相当于半页纸的短文章,报道了人类首次发现一种新的凝聚态物质——金属玻璃,宣告了非晶合金的正式诞生。当时的Duwez教授无论如何也想不到这种材料可以被用来制造电力变压器并在中国和印度获得广泛的大规模应用,除此之外还成为最时尚的iPhone 手机外壳材料。

     2 Duwez教授当年发表在Nature》上的文章

      与Au-Si合金的制备原理一样,FeSiB非晶合金的制备就是将熔化后的液态合金,倒入一个特定的容器喷嘴包中,并通过自身的重力不停地从一个狭小喷嘴缝连续喷射到离喷嘴距离很短的高速旋转的冷却铜辊上实现急冷凝固。喷嘴缝宽度以及喷嘴与冷却铜辊之间的距离(辊嘴间距)均不足银行卡片厚度的一半,空间之小可想而知,FeSiB非晶合金就是在这么一个狭小的空间内形成的(这个狭小空间被称之为熔潭)。与传统的硅钢(含3%硅的铁硅合金)生产相比,FeSiB非晶合金整个生产过程的流程很短且能耗低,具有生产和应用双节能效果。短流程听起来似乎很容易,但真正实现起来难度却非常之高,它有几个难以逾越的峰。

      要获得FeSiB合金的非晶态组织就必须要有高的冷却速度(高冷速,>1×106℃/s),1300℃~1500℃的炽热钢水一眨眼的工夫就已经冷却成厚度薄如蝉翼20μm30μm)的带材。冷却速度的快慢、数值的高低只是一个状态或一个结果,它需要一个高速旋转(高转速,>30m/s)的冷却铜辊来实现。高转速就意味着非晶带材会以高达30m/s的速度从熔潭中喷出,能够在喷带瞬间成功抓取并实现连续卷取不断带是一大难题,就像要将高速上风驰电掣的汽车抓住一样,难度可想而知。1988年,钢铁研究总院在国内率先建成了百吨级非晶带材生产线,并实现了卷取技术重大突破,带材喷出瞬间就被抓取并自动卷取(高卷速)成为可能,这项技术入选了当年中国十大科技新闻。

      万事俱备,只欠东风。高冷速高转速高卷速只是连续化制备FeSiB非晶合金的先决条件,高精度控制才是FeSiB非晶合金高质量稳定连续化生产的必要手段。薄如蝉翼FeSiB非晶带材更需要厚度一致性好、横向厚度极差小,将成千上万层的FeSiB非晶薄带叠在一起制作成配电变压器铁芯后,即使几微米的带厚差也会引起铁芯厚度几毫米甚至几厘米的偏差,针尖大的眼也可进斗大的风。这样的高精度控制是通过喷嘴狭缝及辊嘴间距的精准设计和高自动化控制来实现的。

    随着世界科技的发展,金属软磁材料在世界工业化和信息化进程中的基础作用越来越重要,对金属软磁材料的开发利用也逐步深入和广泛。上世纪80年代末,日立金属的Yoshizawa教授在FeSiB非晶合金的基础上开发出了FeSiBNbCu纳米晶软磁合金材料(商品牌号Finemet)。它的制造方法是先用与FeSiB非晶合金一样的快速凝固技术制备成非晶态合金,然后再通过特殊的热处理,使其内部产生纳米级晶粒,该方法就是典型的非晶晶化法。

    4 纳米晶合金制备过程示意图

      与FeSiB非晶合金相比,FeSiBNbCu纳米晶合金除了加入了Cu(铜)和Nb(铌)外,热处理工艺也大不一样,是获得纳米晶组织的关键步骤,它就好比做菜,只不过对象不同,前者是金属材料,后者是食材,光有好的原料还不行,好的烹饪技术才能做出美味可口的饭菜,热处理亦是如此。经热处理后的FeSiBNbCu纳米晶合金,内部会产生部分单一、均匀且晶粒尺寸为纳米级的组织结构,这种既含有非晶又含有纳米晶的双相合金,在软磁特性上具有一系列的特点:可以达到的最大磁化状态(饱和磁感应强度)比铁氧体和坡莫合金的两倍还多、导磁能力(磁导率)是铁氧体的二十多倍以及更高的能量转化效率和具有卓越的温度稳定性(高的居里温度),等等。因此,纳米晶合金是高频电力电子应用中的最佳软磁材料。

    从无到有

    我国非晶的崛起之路

      自Duwez教授1960年发明的用快淬工艺制备非晶合金以来,非晶合金从此被广泛关注并被大量研究。直到1979年,美国Allied Signal公司发明了非晶合金宽带的平面流铸带技术后,并于1982年建成世界首个非晶带材连续生产厂,非晶合金产业化、商业化从此拉开了帷幕。日本通过技术转让、企业并购等手段成为世界上第二个拥有非晶合金宽带连续化生产技术的国家。

      再把目光转向国内,我国的非晶纳米晶产业起步较晚。1975年钢铁研究总院柯成教授在Allied Singal公司生产的非晶条带启示下,开启非晶金属材料的基础性研究,成为我国非晶金属材料的奠基人;

      从国家六五计划开始,钢铁研究总院(1998年安泰科技成立,非晶业务整体并入)一直承担非晶、纳米晶合金及制品的国家科技攻关任务;

      1988年,建成带有自动卷取的百吨级铁基非晶合金带材中试线和一条年产100万只非晶微晶合金元件的中试线;

      1995年,经国家科委批准,组建国家非晶微晶合金工程技术研究中心;

      1998年,建成千吨级非晶宽带生产线;

      2003年,建成百吨级纳米晶超薄带生产线;

      2010年,建成国内首条万吨级非晶带材生产线;非晶带材产能达到6万吨;

      2013年建成千吨级纳米晶超薄带生产线,产量位居世界第一,成为继日本日立金属、德国VAC公司之后,国内首家开始工业化生产纳米晶超薄带材的制造商。

    5 公司非晶、纳米晶合金发展史

      四十多年来,钢铁研究总院和安泰科技在非晶、纳米晶产业化技术方面取得的重大科技成果,推动我国非晶合金从无到有,由弱到强,发展成为年产能30万吨的非晶大国,引领了中国非晶产业的崛起。国内非晶、纳米晶带材的制造商不断涌现,不同规模的企业有数十家之多,我国的非晶、纳米晶材料产业从此进入欣欣向荣的发展时期。

    永无止境

    向新材料、新技术、新应用迈进

      电子信息技术的迅猛发展催生了软磁材料技术的快速进步。以硅为代表的第一代半导体的出现,使得集成电路成为可能,以磷化铟、砷化镓为代表的第二代半导体的出现,使得用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件的软磁材料(诸如铁基纳米晶带材)得到了飞速发展。作为从六五开始持续开展科研攻关的重点领域,经过前4个五年科技攻关计划的实施,我国基本实现了非晶纳米晶带材及制品的产业化,满足了电力电子和电子信息等高新技术领域日益增长的应用需求。然而,随着以碳化硅、氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体的问世,高频大功率、低损耗电磁元器件的应用成为可能,在电子元器件、信息通讯、新能源汽车和消费电子领域对非晶纳米晶带材提出了超薄、超高频磁导率以及更低损耗的要求;而在智能电网、轨道交通领域则提出了超薄、宽幅以及更低损耗等要求。

    为快速响应和满足不断扩大的市场需求,安泰科技迎难而上,设立重大技术创新攻关项目宽幅超薄纳米晶宽带连续化工艺开发。在前期开发的具有自主知识产权的万吨级非晶带材连续化生产技术基础上,创立了具有完全自主知识产权的不同于国内外现有压力补偿恒压制带方式的全新技术路线,开发出了宽幅超薄铁基纳米晶带材连续化生产技术,在合金成分、工艺技术及核心装备等方面取得了重大突破,解决了纳米晶带材宽度受限的难题,实现了单炉产量达5/炉,厚度≤18μm、一致性控制在±1μm,带材宽度达120mm以上,填补了国内空白,产品质量、性能和整体技术成果达到国际领先水平。

    6 宽幅超薄纳米晶合金带材产品

      宽幅超薄纳米晶合金带材,因其具有低损耗、高磁导等性能优势得到高端市场的高度认可,已广泛应用于新能源汽车、5G通讯、轨道交通和无线充电等新兴产业;由于连续化生产的制造成本优势,下游磁元件产品还被广泛应用于家电(微波炉、空调、冰箱、洗衣机、LED电视、空气净化器、洗碗机、烤箱、热水器等)、各类电源(UPSPC电脑、服务器、医疗等)、焊机和光伏逆变器等传统行业。

      宽幅超薄纳米晶合金带材的成功产业化,直接推动了我国感抗类电力电子器件及装备的高端化、小型化和智能化,带动了功率变压器的升级换代,为我国新能源汽车、电力电子、智能电网、新一代通讯、轨道交通、无线充电、消费电子等领域快速发展提供了关键核心基础材料,提升了我国在大功率电力电子装备方面的自主保障能力、自主创新能力、技术突破和产业发展。

    7 纳米晶带材的应用领域

      创新永无止境。目前非晶合金形成了包括Fe基、Zr基、Mg基等成百上千种合金材料,冷却速率由最初>106K/s 降至部分材料的 1K/s,材料尺寸也由纳米级发展到10mm级乃至100mm级的块状非晶,而且粉、膜、丝、带、棒、块等材料形态和应用场景日趋多样化;非晶合金本身缺陷和制造过程中的挑战,比如脆性、收得率、饱和磁感Bs、非晶合金加工技术、满足不同需求的合金体系等方面需要克服;除了优异的磁性能以外,非晶纳米晶合金还具有许多独特的潜在性能亟待开发,具有巨大的想象空间,如优异的耐蚀性、耐磨性、高强度、高硬度和高韧性、高电阻率和机电耦合性能、良好的生物相容性等。

      一代代敢啃硬骨头的安泰非晶人,实现了非晶纳米晶产业从无到有,从弱到强,从几十公斤级中试线到万吨级生产线的飞跃。前路漫漫,我们永远在路上,唯有不懈奋斗,才是安泰科技不断向前发展的不竭动力和长久希望!

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