未来智慧城市概念图。光明图片/视觉中国

电动垂直起降飞机。光明图片/视觉中国

5G无线通信网络助力智能生活。光明图片/视觉中国

 曾经,一种奇怪的现象“潜伏”在人们身边:在开灯或者接听固定电话的瞬间,一旁正在播放节目的老式电视屏幕会出现转瞬即逝的“雪花”。这主要是因为周围电器通电瞬间的大电流产生强磁场,致使老电视受到干扰。而如今,手机快充头可让手机在几十分钟内充满电且发热更少,LED灯光线柔和且基本看不到闪烁,不同智能家居能稳定运行且互不干扰……从老电视的“雪花屏”到今天智能生活的种种便利,离不开一位默默无闻的“功臣”——电感器,它如同现代电子设备的“心脏”,让电流有序流动、设备稳定工作。

用纳米技术敲开能源高效转换之门

 电感器是一种基于电磁能量转换的磁性元件,主要用于调节电流、滤除杂波信号和保护电路。从手机、家电、新能源汽车,到光伏逆变并网、海陆空天安防,几乎所有的电子设备都离不开它。电感器的核心组成是导线围绕磁芯,其工作原理源于电磁感应:当电流通过绕在磁芯上的线圈时会产生磁场,当电流发生改变时,该磁场便会像减震弹簧一样“抵抗”电流的变化。

 磁芯材料通常容易被外加磁场磁化产生磁性,撤掉磁场后磁性则消失。区别于撤掉磁场后磁性不易消失从而能够吸引铁块的硬磁材料(即磁铁),这种易磁化/退磁的材料被称为软磁材料。常见的软磁材料有硅钢、铁镍合金、铁硅铝合金以及锰锌铁氧体等。

 当前,第三代半导体碳化硅和氮化镓的产业化,极大地推动了电子产品朝向高频化、小型化、大功率和节能化发展。其中,高频化有助于小型化和节能化。例如,超薄电视、智能手环等追求的小型化,手机和新能源汽车快充需要的大功率,以及可持续发展战略对电力电子行业提出的节能化……这些都对磁芯用软磁材料的性能提出了更高要求。

 为什么要追求高频化?这是因为电路工作频率越高,磁性元件的能量密度和能量转化效率就越高,相同能量转化需求下其尺寸就可以做得越小。常规工频电力设备的使用频段一般为50Hz,其优点是结构简单、成本低且电磁干扰少;而中高频电力电子设备,如使用频段在20kHz~100kHz的光伏逆变器、50kHz~150kHz的汽车充电桩、10kHz~1MHz的感应加热炉等,具有体积小、能量转换效率高且动态响应快的优点。

 我们可以用“公路汽车行驶状况”来直观理解不同频率下的能量转换情况。如果把频率高低看作是车速,能量转换效率看作是单位时间能顺利通过某路段的车辆数,那么,相较于低频模式,在高速行驶的高频模式下,单位时间内通过既定路段的车辆就会更多,即能量转换效率更高。

 然而,如同永动机不可能存在,磁芯的能量转换效率也不可能随着频率的增加达到100%。磁芯在能量转换过程中会发热,这部分散失的热量是无用能量损耗,主要包括磁滞损耗和涡流损耗。前者可以看作是汽车过弯时的被迫减速,主要来源于磁芯内部磁畴沿着磁场方向的转动阻力;后者则对应于汽车高速行驶过程中发动机过热造成车速的下降或肇事、抛锚等情形,主要来源于磁芯内部由电磁感应生成的涡流。这两种损耗都随频率增加而增大,且涡流损耗会逐渐超越磁滞损耗,并在高频下占主导。

 如果把磁芯看作是发动机,那么不同软磁材料做成的“发动机”性能各异。硅钢、铁镍合金、铁硅铝合金等合金软磁材料电阻率低,高频工作下会因涡流损耗较大而发热严重;同时,温度升高又会降低磁导率等性能,致使磁芯工作效率不升反降,因此只适用于中低频应用。而得到中高频应用的锰锌铁氧体等非金属软磁材料不仅发热严重,并且其饱和磁化强度小,易发生饱和失效,即这种“发动机”虽然支持高速行驶,但车速过快易导致抛锚。

 显而易见,传统软磁材料难以满足电力电子设备高频化、小型化、大功率和节能化发展需求。科学家于是将目光投向微观材料世界,通过成分设计和工艺调控,开发出高频乃至射频下节能高效的纳米晶磁芯,以纳米技术敲开了高效能源转换之门。这种包含纳米晶软磁材料的磁芯已被制成高频变压器、滤波电感器、功率电感器等器件,应用于光伏、储能、新能源汽车、超算等领域。相比于传统磁芯,纳米晶磁芯可支撑电子设备做得更小、更静音、更加节能和高效,堪称电力电子设备的“节能心”。

“纳米楼房”+“非晶空地”打造高效磁芯材料

 传统软磁材料和常见的金属都属于晶体,其内部原子按周期性有序排列。如果把原子看作是砖块,那么一个晶粒就是一座由砖块整齐有序砌成的楼房,金属粉末或块体就是无数栋楼房组成的居民区,通常每座“楼房”尺度在微米到厘米级别。

 纳米晶软磁材料是非晶/纳米晶软磁材料的简称,它是一种新型的微观“居民区”。除了大片由原子整齐有序砌成长宽高在几十到几百纳米的“楼房”(纳米晶粒)之外,还有少量由原子混乱无序堆垛出来的“未发开区”(非晶区)。

 这种微观世界的精妙设计,使得纳米晶磁芯展现出优异的综合软磁性能。一方面,纳米晶磁芯表现出大电流和极宽频率下的高磁导率。这是因为磁化过程实质是每个晶粒内的磁畴随外磁场方向转动的过程,磁芯内部晶粒越小,磁畴也越小,可以高速响应磁场的变化,从而实现高磁导率;同时,有序的“楼房”和周围无序的“未开发区”协同,二者磁致伸缩系数一正一负互相抵消,能极大地改善磁化各向异性,进一步提高磁导率,并有效降低噪音。

 另一方面,纳米晶磁芯高频下损耗很低、发热少。这是由于纳米晶细小晶粒以及非晶区的磁畴转动阻力较小,磁滞损耗低,就像汽车的行驶路线越平直、转向弧度越小,功耗就越小一样;同时,高密度的纳米晶晶界和纳米晶/非晶相界,使得纳米晶磁芯的电阻率远高于其他传统磁芯,极大降低了高频下主导的涡流损耗。正因如此,在高频工况下,纳米晶磁芯展现出传统磁芯和非晶磁芯不可比拟的优势。

精准调控“纳米楼房”尺寸与数量

 与传统软磁材料制备方式不同,纳米晶软磁材料很难一步实现“居民区”的建设,通常需要通过熔体快速冷却成完全的非晶,再通过晶化退火的方式对微观结构进行精确调控。

 纳米晶磁芯的制备可分为两种,一是采用“旋淬制带+卷绕成芯+退火”方式制备成磁导率和损耗较高的条带卷绕磁芯,二是采用“雾化制粉+绝缘包覆+压制成型+退火”工艺制备成形状不限且磁导率和损耗更低的粉末冶金磁芯。其中,前者是将铁基合金熔液以每秒百万摄氏度的速度冷却,再将制得的非晶带材卷绕成非晶磁芯;后者是通过雾化技术,用高压气体将熔液击碎成细小液滴,并快速冷却成完全非晶粉末,将非晶粉末进行绝缘包覆,压制成非晶磁芯。二者都在后续的退火过程中,通过升温加快原子运动,使得非晶磁芯中混乱的原子重新排列,堆砌成整齐有序的纳米尺度“楼房”。通过调整不同种类的原子配比和温升参数,即可调控“楼房”的尺寸与数量,从而按需制备纳米晶磁芯。

 纳米晶磁芯不仅是一种材料的革新,更是人类驾驭微观世界、实现能源高效利用的智慧结晶。相关调研报告显示,全球纳米晶磁芯的市场规模呈现持续增长态势,2023年全球市场销售额已超过30亿元,2030年有望达到69亿元。当我们用手机享受5G冲浪或驾驶电动汽车驰骋时,甚至不久的将来自驾飞行汽车旅游时,不妨想象那些藏在设备深处安静工作的纳米晶磁芯,它们正以精妙的原子之姿,化作节能之“心”,发出清洁能源时代节能高效的律动。