納米晶磁芯：藏在電子設備里的“節能心”

來源：光明日報

曾經，一種奇怪的現象“潛伏”在人們身邊：在開燈或者接聽固定電話的瞬間，一旁正在播放節目的老式電視屏幕會出現轉瞬即逝的“雪花”。這主要是因為周圍電器通電瞬間的大電流產生強磁場，致使老電視受到干擾。而如今，手機快充頭可讓手機在幾十分鐘內充滿電且發熱更少，LED燈光線柔和且基本看不到閃爍，不同智能家居能穩定運行且互不干擾……從老電視的“雪花屏”到今天智能生活的種種便利，離不開一位默默無聞的“功臣”——電感器，它如同現代電子設備的“心臟”，讓電流有序流動、設備穩定工作。

用納米技術敲開能源高效轉換之門

電感器是一種基于電磁能量轉換的磁性元件，主要用于調節電流、濾除雜波信號和保護電路。從手機、家電、新能源汽車，到光伏逆變并網、海陸空天安防，幾乎所有的電子設備都離不開它。電感器的核心組成是導線圍繞磁芯，其工作原理源于電磁感應：當電流通過繞在磁芯上的線圈時會產生磁場，當電流發生改變時，該磁場便會像減震彈簧一樣“抵抗”電流的變化。

磁芯材料通常容易被外加磁場磁化產生磁性，撤掉磁場后磁性則消失。區別于撤掉磁場后磁性不易消失從而能夠吸引鐵塊的硬磁材料（即磁鐵），這種易磁化/退磁的材料被稱為軟磁材料。常見的軟磁材料有硅鋼、鐵鎳合金、鐵硅鋁合金以及錳鋅鐵氧體等。

當前，第三代半導體碳化硅和氮化鎵的產業化，極大地推動了電子產品朝向高頻化、小型化、大功率和節能化發展。其中，高頻化有助于小型化和節能化。例如，超薄電視、智能手環等追求的小型化，手機和新能源汽車快充需要的大功率，以及可持續發展戰略對電力電子行業提出的節能化……這些都對磁芯用軟磁材料的性能提出了更高要求。

為什么要追求高頻化？這是因為電路工作頻率越高，磁性元件的能量密度和能量轉化效率就越高，相同能量轉化需求下其尺寸就可以做得越小。常規工頻電力設備的使用頻段一般為50Hz，其優點是結構簡單、成本低且電磁干擾少；而中高頻電力電子設備，如使用頻段在20kHz~100kHz的光伏逆變器、50kHz~150kHz的汽車充電樁、10kHz~1MHz的感應加熱爐等，具有體積小、能量轉換效率高且動態響應快的優點。

我們可以用“公路汽車行駛狀況”來直觀理解不同頻率下的能量轉換情況。如果把頻率高低看作是車速，能量轉換效率看作是單位時間能順利通過某路段的車輛數，那么，相較于低頻模式，在高速行駛的高頻模式下，單位時間內通過既定路段的車輛就會更多，即能量轉換效率更高。

然而，如同永動機不可能存在，磁芯的能量轉換效率也不可能隨著頻率的增加達到100%。磁芯在能量轉換過程中會發熱，這部分散失的熱量是無用能量損耗，主要包括磁滯損耗和渦流損耗。前者可以看作是汽車過彎時的被迫減速，主要來源于磁芯內部磁疇沿著磁場方向的轉動阻力；后者則對應于汽車高速行駛過程中發動機過熱造成車速的下降或肇事、拋錨等情形，主要來源于磁芯內部由電磁感應生成的渦流。這兩種損耗都隨頻率增加而增大，且渦流損耗會逐漸超越磁滯損耗，并在高頻下占主導。

如果把磁芯看作是發動機，那么不同軟磁材料做成的“發動機”性能各異。硅鋼、鐵鎳合金、鐵硅鋁合金等合金軟磁材料電阻率低，高頻工作下會因渦流損耗較大而發熱嚴重；同時，溫度升高又會降低磁導率等性能，致使磁芯工作效率不升反降，因此只適用于中低頻應用。而得到中高頻應用的錳鋅鐵氧體等非金屬軟磁材料不僅發熱嚴重，并且其飽和磁化強度小，易發生飽和失效，即這種“發動機”雖然支持高速行駛，但車速過快易導致拋錨。

顯而易見，傳統軟磁材料難以滿足電力電子設備高頻化、小型化、大功率和節能化發展需求。科學家于是將目光投向微觀材料世界，通過成分設計和工藝調控，開發出高頻乃至射頻下節能高效的納米晶磁芯，以納米技術敲開了高效能源轉換之門。這種包含納米晶軟磁材料的磁芯已被制成高頻變壓器、濾波電感器、功率電感器等器件，應用于光伏、儲能、新能源汽車、超算等領域。相比于傳統磁芯，納米晶磁芯可支撐電子設備做得更小、更靜音、更加節能和高效，堪稱電力電子設備的“節能心”。

“納米樓房”+“非晶空地”打造高效磁芯材料

傳統軟磁材料和常見的金屬都屬于晶體，其內部原子按周期性有序排列。如果把原子看作是磚塊，那么一個晶粒就是一座由磚塊整齊有序砌成的樓房，金屬粉末或塊體就是無數棟樓房組成的居民區，通常每座“樓房”尺度在微米到厘米級別。

納米晶軟磁材料是非晶/納米晶軟磁材料的簡稱，它是一種新型的微觀“居民區”。除了大片由原子整齊有序砌成長寬高在幾十到幾百納米的“樓房”（納米晶粒）之外，還有少量由原子混亂無序堆垛出來的“未發開區”（非晶區）。

這種微觀世界的精妙設計，使得納米晶磁芯展現出優異的綜合軟磁性能。一方面，納米晶磁芯表現出大電流和極寬頻率下的高磁導率。這是因為磁化過程實質是每個晶粒內的磁疇隨外磁場方向轉動的過程，磁芯內部晶粒越小，磁疇也越小，可以高速響應磁場的變化，從而實現高磁導率；同時，有序的“樓房”和周圍無序的“未開發區”協同，二者磁致伸縮系數一正一負互相抵消，能極大地改善磁化各向異性，進一步提高磁導率，并有效降低噪音。

另一方面，納米晶磁芯高頻下損耗很低、發熱少。這是由于納米晶細小晶粒以及非晶區的磁疇轉動阻力較小，磁滯損耗低，就像汽車的行駛路線越平直、轉向弧度越小，功耗就越小一樣；同時，高密度的納米晶晶界和納米晶/非晶相界，使得納米晶磁芯的電阻率遠高于其他傳統磁芯，極大降低了高頻下主導的渦流損耗。正因如此，在高頻工況下,納米晶磁芯展現出傳統磁芯和非晶磁芯不可比擬的優勢。

精準調控“納米樓房”尺寸與數量

與傳統軟磁材料制備方式不同，納米晶軟磁材料很難一步實現“居民區”的建設，通常需要通過熔體快速冷卻成完全的非晶，再通過晶化退火的方式對微觀結構進行精確調控。

納米晶磁芯的制備可分為兩種，一是采用“旋淬制帶+卷繞成芯+退火”方式制備成磁導率和損耗較高的條帶卷繞磁芯，二是采用“霧化制粉+絕緣包覆+壓制成型+退火”工藝制備成形狀不限且磁導率和損耗更低的粉末冶金磁芯。其中，前者是將鐵基合金熔液以每秒百萬攝氏度的速度冷卻，再將制得的非晶帶材卷繞成非晶磁芯；后者是通過霧化技術，用高壓氣體將熔液擊碎成細小液滴，并快速冷卻成完全非晶粉末，將非晶粉末進行絕緣包覆，壓制成非晶磁芯。二者都在后續的退火過程中，通過升溫加快原子運動，使得非晶磁芯中混亂的原子重新排列，堆砌成整齊有序的納米尺度“樓房”。通過調整不同種類的原子配比和溫升參數，即可調控“樓房”的尺寸與數量，從而按需制備納米晶磁芯。

納米晶磁芯不僅是一種材料的革新，更是人類駕馭微觀世界、實現能源高效利用的智慧結晶。相關調研報告顯示，全球納米晶磁芯的市場規模呈現持續增長態勢，2023年全球市場銷售額已超過30億元，2030年有望達到69億元。當我們用手機享受5G沖浪或駕駛電動汽車馳騁時，甚至不久的將來自駕飛行汽車旅游時，不妨想象那些藏在設備深處安靜工作的納米晶磁芯，它們正以精妙的原子之姿，化作節能之“心”，發出清潔能源時代節能高效的律動。

（作者：王明旭，系山東大學低空科學與工程學院副研究員）