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纳米晶为何突然那么火?

日期: 2018-05-10
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2018年是无线充电爆发的元年,继三星之后,去年苹果又3款手机用上了无线充电,而今年据说小米、华为在新的机型上将拥有无线充电的功能,无线充电产业将迎来爆发;有一种材料,叫纳米晶,突然比较火爆,这跟无线充电有什么关系呢? 在阅读正文前,欢迎大家加我微信:polytpe012

纳米晶为何突然那么火?


图:无线充电接收端构造(来源易充无线)

磁性材料与无线充电的关系

无线充电产品可以分为接收端和发射端,好比手机的wifi功能,发射端类似无线路由器;无线充电接收端类似手机内置的wifi天线;接收端技术要求散热,轻薄,高效率,主要是由线圈、磁性材料、芯片等组成;

用软磁铁氧体材料制作的各种隔磁片作为无线充电技术的主要部件,在无线充电设备中起增高感应磁场和屏蔽线圈干扰的作用。无线充电器对软磁铁氧体材料机能和产品尺寸、可靠性等要求较高,接收端对其要求更高。

无线充电器主要用到的磁性材料有:钕铁硼永磁体、NiZn铁氧体薄磁片、MnZn铁氧体薄磁片、柔性铁氧体磁片;


铁基非晶合金是由80%Fe,20%SiB类金属元素所构成,它具有高饱和磁感应强度(1.56T),铁基纳米晶合金是由铁元素为主,加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料,这种非晶态材料经热处理后可获得直径为的,弥散分布在非晶态的基体上,被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料。

纳米晶为何突然那么火?

图:无线充电常用三种磁性材料的比较(易充无线)

无线充电“线圈+纳米晶方案

目前市场上主流的无线充电接收端普遍采用的是FPC软板方案,优势是可以做到轻薄,但是存在成本高、发热大的问题,未来手机的无线充电将承载一个重要的功能,实现快充,替代有线充电,而线圈与FPC软板相比,接收功率能够做到更大,温升可以做到更小,所以线圈方案是实现无线快充的较好方案之一,而且成本可以下降。

纳米晶为何突然那么火?

图:以安泰纳米晶Antainano为例,比较铁氧体、铁基非晶,纳米晶的饱和磁感应强度

磁性材料方面纳米晶其突出优点在于兼备了铁基非晶合金的高饱和磁感应强度(Bs)和钴基非晶合金的高磁导率和低损耗,能够很好地满足高频低损耗的性能要求;因此线圈+纳米晶方案将是未来的主流方向;

纳米晶带材材料特性:(数据来源:安泰科技)

1.高饱和磁感、高磁导率

铁基纳米晶软磁合金可同时具有高饱和磁感应强度(1.25T)和高的磁导率(>80000),有利于体积小,高精度发展

2.低损耗

相当于Fe基非晶1/5的铁损,100KHz300mT下损耗低至70W/Kg,更低的工频温升


附一:非晶材料生产?

我们先从非晶材料说起,在日常生活中人们接触的材料一般有两种:一种是晶态材料,另一种是非晶态材料。所谓晶态材料,是指材料内部的原子排列遵循一定的规律。反之,内部原子排列处于无规则状态,则为非晶态材料,一般的金属,其内部原子排列有序,都属于晶态材料。


非晶态的生成

科学家发现,金属在熔化后,内部原子处于活跃状态。一但金属开始冷却,原子就会随着温度的下降,而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来,形成晶体。如果冷却过程很快,原子还来不及重新排列就被凝固住了,由此就产生了非晶态合金,制备非晶态合金采用的正是一种快速凝固的工艺。液态金属大概也类似,有朋友了解也可以加我:polytpe012。

非晶带材生产

将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。钢水以每秒百万度的速度迅速冷却,仅用千分之一秒的时间就将1300℃的钢水降到200℃以下,形成非晶带材。

 

附二:纳米晶发展史

20世纪80年代初,德国人Gleite H提出了纳米晶体材料的概念并首先成功研制出了人工纳米晶体,实验结果发现这类固体材料不仅强度高,而且结构和性能都具有特殊性,从此各国科学家竞相开展这种新材料的研究和开发工作,纳米晶合金被誉为“21世纪的新材料”。

1988年,日本日立金属公司的Yoshizawa等人首先制备了Fe0735CuQ.01Nb0.Q3Si0.135BQ.09纳米晶合金,并命名为Finemet

这种铁基纳米晶合金以优异的软磁性能引起了世界各国材料学家的广泛关注。这一方面是由于铁基纳米材料独特的结构特征,另一方面是由于纳米晶合金兼有优异的磁学和物理力学性能,从而为提高材料的综合性能和发展新一代高性能材料创造了有利条件。这种软磁合金最大的特点是具有与钴基非晶合金相当的低功耗、高磁导率和接近于零的磁致伸缩系数,同时它的饱和磁感应强度超过了同类性能的其他软磁材料,达到1. 2T左右。

该软磁合金是在传统的Fe-S1-B非晶合金的基础上添加少量的Cu和Nb,通 过退火处理而得,大量尺度在10〜15nm的Fe-Si晶粒均匀地分布于残余非晶基体之中,得到了所谓的“纳米晶”机构。这类元素的主要作用是扩散缓慢,抑制a-Fe颗粒的长大,从而保证晶粒的纳米尺寸,同时也能降低饱和磁致伸缩系数、扩大热处理温区、改善脆性和工艺性能,Cr对耐腐蚀性也有明显作用。

2005年,安泰科技股份有限公司于2005年9月22日和日立金属正式签署关于购买纳米晶金属材料许可专利的协议。该协议将于2005年10月1日正式生效。安泰科技股份有限公司拥有日立金属纳米晶金属材料专利许可,于2006年获得ISO9001质量体系认证,2014年通过TS16949汽车产品体系认证,现年产高精度Antainano® 纳米晶带材3000吨以上。


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