天风：毛宇辰-非晶纳米晶应用进展和趋势展望-天风证券“藏器待时”展望2023年度策略会【纪要】20221116

会议实录 磁性材料属于功能材料，分为软磁和硬磁。硬磁材料市场比软磁材料大，产品例如磁铁。软磁材料磁化跟退磁较容易，传统软磁材料有金属类、磁粉芯类、铁氧体类。今天主要介绍非晶类，非晶软磁从产品形态分为粉材、带材。 非晶态原子成无序排列。纳米晶属于非晶体系的一种，内部结构大概一半是纳米晶粒，剩余为非晶相，纳米晶整体属于非晶态的体系。 非晶材料最开始用其力学性能，若是晶态材料，原子是有序排列，内部若有缺陷，受力时产生裂纹，且裂纹容易扩张，而非晶态材料没有缺陷，力学性能优秀。而作为软磁材料，有一个各向异性常数，无序排列导致各向异性常数值低 ，软磁性能更优。 铁基非晶成分以FeSiB为最基本的体系，铁基纳米晶是在其中加铜和铌元素，使其易形成纳米晶粒。它形成的过程通过两个元素共同作用，一是铜促进形核，二是铌阻止晶粒长大。目前产业化只有第一种Finemet铁基纳米晶，其他处于研究中。 带材制备的工序为，熔炼之后急冷铸造，之后卷绕、退火，然后绕线，难点在于成分、急冷铸造、退火的工艺以及应用。 急冷铸造是形成非晶态材料最重要的过程，它需要原子无序排列，冷却过程中要达到100万度每秒以上的冷却速度。 熔炼之后到一个中间包，然后一个急速转动的铜滚。溶液漏下后，铜滚直接把它甩出，甩出后成右上角这样带材。 根据不同工艺、设备，可做出不同厚度、宽度，后进行卷绕。热处理之后需要一个塑料壳，或者做喷涂用来固定，后做成器件。铁基非晶带材需要去除内应力，纳米晶带材除去内应力之外，还要得到纳米晶组织。 非晶材料最大特点是矫顽力低、磁导率高。磁导率越高磁化的越快，矫顽力越低磁质损耗越低。非晶材料目前用量比纳米晶材料大，非晶目前主要用于替代硅钢片做非晶变压器，纳米晶带材的材料主要用在共模滤波电感上。 低磁导的产品主要用在互感器，用在智能电表里。智能电表要求在不同的频率下磁导率稳定。铁基纳米晶目前没有一个行业标准，都是做定制产品。铁基非晶的成分取名叫1K101，纳米晶取名1K107。 变压器、共模电感磁芯、互感器。互感器有很多种，普通互感器要求高磁导率值。线性互感器要求磁导率值稳定这样保证电表测试的精度更加稳定。 粉材跟带材的形态不同。熔炼到母合金后，急冷铸造用雾化法来做。难点是成分和成型。雾化制法用水气或者其他的方式把熔融钢液雾化破碎形成这样。传统的粉材用传统的带材直接破碎做出来，目前破碎法的制粉有市场也有供应。但是一些公司没有做的原因是，带材的厚度只有20+微米，破碎后很难去除边上的尖角，这些尖角在后续压制、成型的过程中可能会刺破包裹层，导致这些粉之间造成一个搭桥，形成涡流电流，会增加损耗。雾化粉主要是呈球形的粉 ，不会存在刺破的问题，但是当中也会有长条形粉，通过成分、工艺的调整，把它的球形度提高，刺破的问题不会存在。 传统工艺是水雾化和气雾化。水雾化、气雾化的这两个工艺主要是做传统金属粉，铁、铜、铁镍这些传统金属粉，不需要形成非晶态，但水雾化的冷却能力强，所以做非晶粉水雾化比气雾化更好。 多级雾化目前宁波所做的比较多，目前市场也没有批量供货。这个工艺最主要做的是做细粉，粉的粒径越小损耗越小。它存在一些问题，高速电机需要进口 ，另外一方面它相当于在气流破碎之后再打在高速旋转的圆盘上面，然后再进行二次破碎，所以能够做到粒径很小，但盘上有些残余的粉堆垛，对于后面的粉破碎能力会受到一些影响，这个问题现在还没有很好的解决办法。 旋转水雾化，目前对铁基非晶和纳米晶粉，全世界能够批量供应的只有日本爱普生，原因在于它有一个旋转水雾化swap，这个设备国内很多厂家都在尝试做 ，但是目前没有真正能够做好。这个工艺冷却速率高，基本上能做所有的成分 。做成分设计的时候考虑很多因素，工艺上、性能上。如果冷却速率够，成分设计只要把性能做好，工艺上的问题留给设备工艺去解决。 日本的应用最大受到的局限是后端成型的工艺。与非晶粉跟纳米晶粉相比，传统的铁粉、铁硅、铁镍有更好的塑性变形能力。在后端的压制过程，须把它压成环或者小方块，压制的过程中一定会形成压力，变形到越大越容易压到更加严实，性能就会越好。非晶材料有一个最大的问题是它的硬度，硬度太大没有塑性变形只有2%的弹性变形。高压会对它造成另一个问题，带来更大的应力从而影响它的性能，去除内应力则需要退火。非晶态经过过高温度加热会形成晶态，若晶粒尺寸异常粗大，性能会恶化。 另一方面，颗粒之间需要绝缘，不能有涡流存在，会增加损耗。非晶由于本身耐腐蚀性强，不容易跟其他的绝缘胶结合，所以它的绝缘存在一些问题。所以绝缘和成型这两个点也是比较大的关键。 粉材最大的风口是第三代半导体，第三代半导体的发展器件是往高频化、小型化发展。这两点对非晶带材一样，非晶带材最大的优势是磁导率高，意味着同样的性能中可以把它的体积做得更小。第三代半导体跟前两代半导体相比，同样的体积能做出更大的功率，或者同样功率要做体积更小，频率更高。 粉材另一个问题在于损耗。非晶粉最大的优势是损耗很低。这也是为什么材料性能尝试把材料性能发挥出来的原因。 现在市场带材的产品主要是日本日立跟德国VAC，垄断了中高端，国内做的主要是中低端类，也做了很多替代。 非晶磁粉比带材市场大。最大的是磁粉芯、一体成型电感。磁粉芯主要做PFC电感，带材主要做滤波电源，粉芯主要是做功率电感，功率电感各方面的用量会比滤波电源大很多。PFC功率电感相当于能量转换，所以市场非常大。 一体成型电感用在手机、平板电脑里，更加小型化，是高端半导体未来的发展方向。日本公司卖到国内的粉主要用在一体成型电感。现在国内在尝试国产替代。 消费电子现在是高频化、小型化的趋势。车载应用更关注一致性、稳定性。这个市场准入周期很长，从研发到订单需要两年甚至更长时间。光伏行业，对成 本比较敏感。 以笔记本为例，早期的笔记本边上会有一个很大的散热口，现在的笔记本发展趋势更薄、散热需求更低，对器件的散热要求更高。 早期的电脑适配器是一个标准电源线+一个很大的适配器，现在全部整合到一起。现在出行带手机跟笔记本，一个插头即可满足全部。此外现在还有快充，这是未来的趋势。 应用部分，主要是新能源、光伏、电表。车载和光伏发展方向是高压、大电流 、高频化，跟电子器件接近。只要有AC/DC转换、直流变换、交流变换、升压降压的变换，就一定有功率器件，功率器件可以用粉材料替代，非晶材料就是它的潜在市场。另外一点，只要有它的电压变换，以及高电压转换，就一定会产生杂波，杂波需要滤波器件，滤波器件现在有纳米晶，这也是纳米晶带材的市场。 粉和带材的市场的用量差距非常大，因为一个只是滤波信号，另外一个是它的功率转化。 差模电感用粉材为主，共模电感是滤波电感。车用自动驾驶越来越普遍，传感器的要求越来越多，自动驾驶L1、L2、L3每进一步，传感器都是呈巨大的增长 。现在传感器做的比较好的是德国VAC跟莱姆。德国VAC跟莱姆是深度合作，莱姆做芯片。磁性材料虽然在传感器之中起到重要的作用，但需要跟芯片、电路设计、软件设计去合作。当时由于还没有贸易战的压力，如果直接跟国外厂商合作比较吃力，现在由于与美国贸易战，国内的芯片厂也逐步发展，传感器未来比较有潜力。 车载应用，纳米晶主要的对手是铁氧体，铁氧体的高温性能相对较差。车载应用最主要是-40度到150度左右的温度工作范围，要求这个温度范围之内性能变化在百分之多少以内，这也是纳米晶的优势。方向两个：一个高频高导、高阻抗，还有一个性能叫直流偏置，因为车用电路上电流非常大，尤其新能源车，在电路上会产生一些影响，这就要求器件有抗偏流的特性。 光伏具有成本敏感。铁基纳米晶用在光伏上，可以用1个替代2个器件，虽然材料的成本1个比2个还要高，但做成器件还要包括装壳、绕铜线，现在铜线的价格涨的比较多，如果能够用更少的铜线，可以把更多的成本摊在磁性材料这一部分。如果算整体的器件加上铜线，整个的器件用纳米晶比用铁氧体更加便宜 ，这是纳米晶在光伏滤波的市场。 钴基非晶比较贵，但磁导率高，用在测电流及漏电保护。漏电流出的电流小，电流一旦产生，外场一旦改变，就要求它有非常高的磁导率做出快速反应检查倒漏电流。 这是两个逆变器的案例，这就是一个三相共模，这是一个漏电保护。右边这边三个绿色的红色的，这里面是共模，这里面应该是漏电保护。