自1960年美國Duwez教授發明了用快淬工藝制備非晶態合金以來，由于其獨特的組織結構、高效的制備工藝、優異的材料性能和廣闊的應用前景，一直受到材料科學工作者和產業界的特別關注。在過去的四十年中，伴隨著非晶態材料基礎研究、制備工藝和應用產品開發的不斷進步，各類非晶態材料已經逐步走向實用化。特別是作為軟磁材料的非晶合金帶材已經實現了產業化，并獲得了廣泛應用。其中在傳統電力工業中，非晶軟磁合金帶材正在取代硅鋼，使配電變壓器的空載損耗降低70％以上，從節能和環境保護角度被譽為綠色材料。在現代電子工業中，*近發展起來的納米晶合金進一步兼備了非晶合金和各類傳統軟磁材料的優點，成為促進電子產品向高效節能、小型輕量化方向發展的關鍵材料。本文簡要綜述了該領域的發展歷程和應用前景。

一、發展歷史概述

    非晶軟磁合金的發展歷程大體上可以分為兩個主要階段：

    1967年￣1988年：1967年Duwez教授率先開發出Fe-P-C系非晶軟磁合金，帶動了**個非晶合金研究開發熱潮。1979年美國Allied Signal公司開發出非晶合金寬帶的平面流鑄帶技術，并于1982年建成非晶帶材連續生產廠， 先后推出命名為Metglas的Fe基、Co基和FeNi基系列非晶合金帶材，標志著非晶合金產業化和商品化的開始。1984年美國四個變壓器廠家在IEEB會議上展示了實用的非晶配電變壓器，從而將非晶合金應用開發推向高潮。在這期間，美國主要致力于非晶合金帶材的大規模生產和節能非晶配電變壓器的推廣應用，在技術和產品方面基本形成壟斷。到1989年，美國AlliedSignal公司已經具有年產6萬噸非晶帶材的生產能力，全世界約有100萬臺非晶配電變壓器投入運行，所用鐵基非晶帶材幾乎全部來源于該公司。除美國之外，日本和德國在非晶合金應用開發方面擁有自己的特色，重點是電子和電力電子元件，例如**音響磁頭、高頻電源(含開關電源)用變壓器、扼流圈，磁放大器等。但在1988年以前，由于**問題，日本的非晶發展始終受到美國的制約。

    1988年至今：1988年日本日立金屬公司的Yashizawa等人在非晶合金基礎上通過晶化處理開發出納米晶軟磁合金(Finemet)。此類合金的突出優點在于兼備了鐵基非晶合金的高磁感和鈷基非晶合金的高磁導率，低損耗，并且是成本低廉的鐵基材料。因此鐵基納米晶合金的發明是軟磁材料的一個突破性進展，從而把非晶態合金研究開發又推向一個新高潮。納米晶合金可以替代鈷基非晶合金、晶態坡莫合金和鐵氧體，在高頻電力電子和電子信息領域中獲得廣泛應用，達到減小體積、降低成本等目的。1988年當年，日立金屬公司納米晶合金即賣現了產業化，并有產品推向市場。1992年德國VAC公司開始推出納米晶合金替代鉆基非晶合金，尤其在網絡接口設備上，如ISDN，大量采用納米晶磁芯制作接口變壓器和數字濾波器件。在此期間，美國AlliedSignal公司(現被Honeywell公司兼并)也加強了非晶合金在電力電子領域的推廣應用，先后推出4個系列的鐵芯制品。

    在非晶合金的產業化發展過程中，非晶納米晶合金帶材及其鐵芯制品一直是主流，非晶絲材的研究開發和產業化是重要分支。1980年，日本Hagiwara首先提出采用內圓水紡法制備非晶合金絲材，隨后日本的Unitika公司開始利用此法商業生產Pe基和Co基非晶絲，作為產業化的軟磁材料，應用重點集中在圖書館和超市用防盜標簽。此外，利用非晶絲材各種獨特的物理效應開發各類高性能傳感器一直受到特別關注。尤其*近在鈷基非晶絲材中發現巨磁阻抗效應以來，高精度磁敏傳感器的開發成為熱點。1999年日本科學技術振事業團委托名古屋大學和愛知鋼鐵公司聯合開發MI微型磁傳感器和專用集成電路芯片，目標是將非晶絲MI傳感器用于高速公路汽車自動導航和**監測系統。

    國內非晶材料研究始于1976年，國家科技部從“六五”開始連續5個五年計劃均將非晶、納米晶合金研究開發和產業化列入重大科技攻關項目。其中標志性的成果分別是：“七五”期間建成百噸級非晶帶材中試生產線，帶材寬度達到100mm，“八五”期間突破了非晶帶材在線自動卷取技術，并建成年產20萬只非晶鐵芯中試生產線，“九五”期間，成立了國家非晶微晶合金工程技術研究中心，建成了千噸級鐵基非晶帶材生產線，帶材寬度達到220mm，同時建成年產600噸非晶配電變壓器鐵芯生產線。通過前4個五年科技攻關計劃的實施，我國基本實現了非晶合金帶材及制品產業化。在十五期間，納米晶帶材及其制品產業化開發又被列入重大科技攻關計劃，國家給予重點支持，旨在推動納米晶材料應用開發快速發展，滿足電力電子和電子信息等高新技術領域日益增長的迫切需求。安泰科技股份有限公司(原鋼鐵研究總院部分轉制上市)是國內非晶材料研究開發力量*強、產業規模*大的單位，也是上述國家科技攻關項目的主要承擔單位。目前具有年產非晶帶材3000噸，納米晶帶材300噸的生產能力。

    與美、日、德相比，我國非晶合金帶材的產業規模與日本和德國相當，但遠小于美國。在工藝技術和產品質量方面與上述國家差距很大。尤其對納米晶合金來說，國內現有制帶設備尚無法批量生產厚度小于2μm的超薄帶。因此，嚴重制約了國內非晶、納米晶合金在高頻電力電子領域的推廣應用。安泰科技股份有限公司目前正在建設年產500噸高質量納米晶超薄帶生產線，力求滿足市場迫切需求。

二、制備方法和材料特性

    非晶態合金通常采用冷卻速度大約每秒一百萬度的快速凝固技術，將熔融的鋼水一次成型為厚度小于50μm的非晶帶材或直徑小于200μm的非晶絲材。所謂非晶態是指急冷凝固過程使金屬來不及結晶，原子排列保持液態金屬的長程無序狀態。

    圖1示意非晶合金帶材的平面流鑄帶過程，熔融的鋼水通過一個有狹縫的噴嘴澆鑄在高速旋轉的水冷銅輥圓周表面，在極短時間內凝固成薄帶，并被剝離、抓取和卷取，*后獲得非晶帶卷。

    圖2示意非晶合金絲材的內圓水紡制備過程，在高速旋轉的鼓輪內加入冷卻水，在離心力的作用下，冷卻水在鼓輪內壁形成環形水池，并隨鼓輪同步旋轉，熔融鋼水通過坩堝的底部圓孔順流噴入水中，快速凝固成連續的圓截面非晶絲材。

    納米晶合金(又稱超微晶)的制造工藝是：首先將特定成分的合金利用急冷技術制備成非晶態，再通過適當的熱處理將其晶化為晶粒尺寸約10nm的超微晶結構，其形成過程如圖3所示。

    一般來說，傳統晶態軟磁合金(例如硅鋼和坡莫合金)的生產工藝通常包括熔煉，鑄造、熱軋、冷軋、加工、退火等十余道工序。相比之下，非晶合金的生產流程短、工藝簡單、節約能耗。因此，快速凝固工藝的發明被譽為治金工藝的一次**。

    作為軟磁材料，兼備高飽和磁感、高磁導率、低損耗、低成本始終是追求的目標。圖4比較了各類軟磁材料的磁感應強度和磁導率。顯然，非晶、納米晶合金的綜合軟磁性能明顯優于傳統晶態軟磁材料。非晶、納米晶合金的優異軟磁特性都來源于其特殊的組織結構。非晶合金中沒有晶粒和晶界，易于磁化。納米晶合金的晶粒尺寸小于磁交換作用長度，導致平均磁晶各向異性很小，并且通過調整成分，可以使其磁致伸縮趨近于零。具有特殊結構的非晶合金的發明也曾被譽為冶金材料的一次**。

三、主要應用領域

    非晶、納米晶合金的應用領域非常廣泛，表1列出了非晶納米晶合金帶材的典型性能和一些主要應用。

    在電力領域，非晶、納米晶合金均得到大量應用。其中鐵基非晶合金的*大應用是配電變壓器鐵芯。由于非晶合金的工頻鐵損僅為硅鋼的1／5－1／3，利用非晶合金取代硅鋼可使配電變壓器的空載損耗降低60％-70％。因此，非晶配電變壓器作為換代產品有很好的應用前景。 在“九五”期間， 我國自行建成了年生產能力1000噸的非晶帶材生產線及相應的年產600噸非晶配電變壓器鐵芯生產線，這為在我國大力推廣節能型非晶配電變壓器奠定了良好基礎。納米晶合金的*大應用是電力互感器鐵芯。電力互感器是專門測量輸變電線路上電流和電能的特種變壓器。近年來高精度等級(如0.2級、0.2S級，0.5S級)的互感器需求量迅速增加。傳統的冷軋硅鋼片鐵芯往往達不到精度要求，雖然高磁導率坡莫合金可以滿足精度要求，但價格高。而采用納米晶鐵芯不但可以達到精度要求、而且價格低于坡莫合金。

    在電力電子領域，隨著高頻逆變技術的成熟，傳統大功率線性電源開始大量被高頻開關電源所取代，而且為了提高效率，減小體積，開關電源的工作頻率越來越高，這就對其中的軟磁材料提出了更高的要求。硅鋼高頻損耗太大，已不能滿足使用要求；鐵氧體雖然高頻損耗較低，但在大功率條件下仍然存在很多問題，一是飽和磁感低，無法減小變壓器的體積；二是居里溫度低，熱穩定性差；三是制作大尺寸鐵芯成品率低，成本高。 目前采用功率鐵氧體的單個變壓器的轉換功率不超過20kW。納米晶軟磁合金同時具有高飽和磁感和很低的高頻損耗，且熱穩定性好，是大功率開關電源用軟磁材料的*佳選擇。采用納米晶鐵芯的變壓器的轉換功率可達500kW，體積比功率鐵氧體變壓器減少50％以上。目前在逆變焊機電源中納米晶合金已經獲得廣泛應用，在通訊、電動交通工具、電解電鍍等領域的開關電源中的應用正在積極開發之中。

    在電子信息領域，隨著計算機、網絡和通訊技術的迅速發展，對小尺寸、輕重量、高可靠性和低噪音的開關電源和網絡接口設備的需求日益增長、要求越來越高。例如，為了減小體積，計算機開關電源的工作頻率已經從20kHz提高到500kHz；為了實現CPU的低電壓大電流供電方式，采用磁放大器穩定輸出電壓；為了消除各種噪音，采用抑制線路自生干擾的尖峰抑制器，以及抑制傳導干擾的共模和差模扼流圈。因此，在開關電源和接口設備中增加了大量高頻磁性器件。非晶、納米晶合金在此大有用武之地。

    在電子防竊系統中，早期利用鈷基非晶窄帶的諧波式防盜標簽在圖書館中獲得了大量應用。*近利用鐵鎳基非晶帶材的聲磁式防盜標簽克服了諧波式防盜標簽誤報警率高、檢測區窄等缺點，應用市場已經擴展到超級市場。可以預見，隨開放式服務方式的發展，作為防盜防偽的非晶合金帶材和絲材的應用會急劇增長。

    在民用產品中，變頻技術有利于節約電能、并減小體積和重量，正在大量普及。但負面效應不可忽視，如果變頻器中缺少必要的抑制干擾環節，會有大量高次諧波注入電網，使電網總功率因素下降。減少電網污染*有效的辦法之一是在變頻器中加入功率因數校正(PFC)環節，其中關鍵部件是高頻損耗低、飽和磁感大的電感鐵芯。鐵基非晶合金在此類應用中有明顯優勢，將在變頻零電綠色化方面發揮重要作用。目前在變頻空調中使用非晶PFC電感已經成為一個熱點。

    總之，非晶、納米晶合金不僅軟磁性能優異，而且工藝簡單、成本低廉；正在成為一類十分重要的、具有市場競爭優勢的基礎功能材料。可以預見，非晶、納米晶材料對我國傳統產業改造和高新技術快速發展將發揮越來越重要的作用。

    表1   非晶納米晶帶材的典型性能及主要應用領域
性能指標                 非晶納米晶帶材
鐵基非晶      鐵鎳基非晶
飽和磁感(T)        1.56             0.77
矯頑力(A/m)         <4               <2
Br/Bs               ─               ─
*大磁導率          45×104           >200,000
鐵損(W/kg)          p50hz,1.3T<0.2   p20khz,0.5<90
磁致伸縮系數        27×10-6         15×10-6
居里溫度(℃)        415              360
電阻率(mW-cm)       130              130

應用                配電變壓器中頻   磁屏蔽防
變壓器功率因數   盜標簽
校正器

性能指標                非晶納米晶帶材
鈷基非晶          鐵基納米晶
飽和磁感(T)      0.6-0.8           1.25
矯頑力(A/m)       <2                <2
Br/Bs             0.96            0.94
*大磁導率        >200,000        >200,000
鐵損(W/kg)      p20khz,0.5T<30  p20khz,0.5T<30
磁致伸縮系數      <1×10-6         <2×10-6
居里溫度(℃)      >300              560
電阻率(mW-cm)     130               80

應用             磁放大器高頻變    磁放大器高頻變壓器
壓器扼流圈脈沖    扼流圈脈沖變壓器飽
變壓器飽和電抗器  和電抗器互感器
摘自：金融街