張默涵
11月10日，浙江省科技進(jìn)步獎(jiǎng)揭曉，中科院寧波材料所研究員李潤偉牽頭完成的“高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低損耗納米晶軟磁材料關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目獲得了一等獎(jiǎng)，其產(chǎn)品成功實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。這位深耕磁材應(yīng)用領(lǐng)域的科研工作者多年來致力于非晶器件的研究，并取得了顯著成績。幾年前，李潤偉團(tuán)隊(duì)制備出一款數(shù)字化柔性觸覺傳感器。作為智能可穿戴設(shè)備，該產(chǎn)品精度和靈敏度高，甚至可探測到蚊子心臟的跳動(dòng)，受到了商家青睞。這種小型化、高靈敏度的磁傳感器在醫(yī)療、軍工、人工智能、地質(zhì)勘探等眾多領(lǐng)域有巨大應(yīng)用市場。
據(jù)介紹，這款磁傳感器里使用了一種絲材作為磁敏材料，對(duì)該產(chǎn)品的高性能起到了非常關(guān)鍵的作用。這種絲材便是非晶態(tài)合金材料。
新特性：非晶磁材迎來新市場
非晶態(tài)合金又稱液態(tài)金屬，或稱金屬玻璃。人類發(fā)現(xiàn)這個(gè)奇特材料僅有幾十年時(shí)間，但其已憑借出眾的性能得到科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。
非晶合金硬度高、強(qiáng)度高，是理想的手機(jī)結(jié)構(gòu)件材料。用非晶合金制備的華為折疊屏手機(jī)鉸鏈可折疊20萬次不變形。多年前，美國蘋果公司就布局了很多專利，如iPhone4嘗試用非晶合金做取卡針。特斯拉、凱迪拉克等高端汽車鎖扣拉手等也選用該材料。
當(dāng)前，非晶合金在軟磁材料領(lǐng)域應(yīng)用最為成功。在配電變壓器的使用中，非晶鐵芯比硅鋼鐵芯節(jié)省75%~80%的空載損耗。以一臺(tái)容量為400千伏安的一級(jí)能效變壓器為例，全生命周期內(nèi)非晶變壓器節(jié)能達(dá)5.2萬千瓦時(shí) ，是典型的節(jié)能環(huán)保材料。用非晶合金制作的磁材在新能源汽車、光伏、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域被優(yōu)先選擇。世界上很多國家也非常重視該材料的發(fā)展與應(yīng)用。日前，美國能源部提出，2027年美國配電變壓器擬采用新標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有按照新標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的變壓器鐵芯都將采用非晶合金。日本、歐盟也倡導(dǎo)使用非晶變壓器為碳減排做貢獻(xiàn)。去年，我國工信部出臺(tái)文件，要求到2025年，新增高效節(jié)能變壓器占比達(dá)到80%以上，鐵基非晶合金成為最值得期待的材料。
非晶合金尚有部分特殊磁性能待開發(fā)與應(yīng)用，很可能打開全新的市場。上世紀(jì)90年代初，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)非晶合金絲材巨磁阻抗（GMI）效應(yīng)十分典型。巨磁阻抗是指材料的交流阻抗隨外加磁場顯著變化的現(xiàn)象。它是科學(xué)界研究的前沿，和其他磁傳感器比，具有小型化、更靈敏、更精準(zhǔn)、更可靠等優(yōu)點(diǎn)。
新賽道：產(chǎn)業(yè)已形成百億元規(guī)模
非晶絲材及其制備的器件為非晶合金領(lǐng)域帶來了全新“絲”路。
在軍用領(lǐng)域，非晶產(chǎn)品主要在磁探測上發(fā)揮重要作用。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，高精度打擊是對(duì)武器的基本要求。現(xiàn)代軍隊(duì)為更精準(zhǔn)打擊目標(biāo)，已在導(dǎo)彈、火炮、水雷等導(dǎo)航段安裝非晶傳感器。據(jù)了解，該產(chǎn)品在軍方磁導(dǎo)航、磁探測等領(lǐng)域應(yīng)用廣、需求量大，海外市場規(guī)模超過30億元/年。
在醫(yī)療行業(yè)，非晶產(chǎn)品目前最主要的應(yīng)用市場是電生理領(lǐng)域。當(dāng)前，國內(nèi)射頻消融手術(shù)的數(shù)量逐年增長，僅中國快速性心律失常患者中使用導(dǎo)管消融治療的手術(shù)總量（不包含冷凍消融）就從2015年的11.7萬例增加到2020年的20.2萬例，復(fù)合年增長率為11.5%。預(yù)計(jì)到2024年，電生理手術(shù)量將達(dá)到45.0萬例，年復(fù)合增長率為22.1%。作為必需耗材，每臺(tái)手術(shù)要消耗2根以上置有傳感器的導(dǎo)管，能帶動(dòng)微型磁傳感器使用量大幅增長，預(yù)計(jì)僅國內(nèi)就有超2億元/年的市場規(guī)模。
微型磁傳感器因其體積小、抗遮擋的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于其它醫(yī)療及科研領(lǐng)域，如用于腫瘤學(xué)，可在組織活檢、抽液以及放療過程中跟蹤針尖位置；用于脊柱外科，可幫助瞄準(zhǔn)髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端鎖定孔；也可用于跟蹤內(nèi)窺鏡、腹腔鏡的位置和姿態(tài)，以及超聲影像融合等，具有十分廣闊的市場前景。據(jù)醫(yī)療行業(yè)的資深人士透露，僅非晶微型磁傳感器在腫瘤穿刺、鼻飼管方面的需求，2022年國內(nèi)就有超過3億元的市場規(guī)模。有資料顯示，我國磁傳感器市場規(guī)模高達(dá)近400億元/年，弱磁傳感器有近百億元/年。
新認(rèn)識(shí)：絲材制備尚需沉淀和積累
非晶合金絲制備技術(shù)、生產(chǎn)工藝門檻較高，有水紡法、泰勒法等制備方式。并且，傳感器用途方向不同，對(duì)絲材要求也不一樣。目前，日本、以色列等少數(shù)國家制備非晶合金絲材技術(shù)較為成熟，且海外對(duì)高質(zhì)量非晶合金絲材嚴(yán)格管控，如日本鈷基非晶合金裸絲嚴(yán)格限制出口。
早在上世紀(jì)90年代，我國包頭稀土研究院科研工作者便開始研發(fā)、制備非晶合金絲，并取得較大進(jìn)展。近年來，在市場需求的推動(dòng)下，非晶合金絲生產(chǎn)裝備水平不斷提升，非晶合金絲制備路徑和方式也不斷取得新的突破。在國內(nèi)相關(guān)協(xié)會(huì)和科研單位推動(dòng)下，國內(nèi)從事非晶合金絲研發(fā)和制備的科研單位有18家左右，有近10家企業(yè)從事相關(guān)生產(chǎn)研發(fā)。中國電器工業(yè)協(xié)會(huì)非晶合金材料應(yīng)用分會(huì)（下稱非晶分會(huì)）為了促進(jìn)非晶合金絲產(chǎn)業(yè)鏈形成，2021年、2022年連續(xù)舉辦了兩次非晶合金絲材和傳感技術(shù)研討會(huì)，邀請(qǐng)國內(nèi)外專家和企業(yè)共同交流和研討，對(duì)推動(dòng)我國非晶合金絲材產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。
但我國相關(guān)裝備制造和先進(jìn)國家相比還存在差距。非晶分會(huì)負(fù)責(zé)人介紹，目前國內(nèi)企業(yè)制備非晶合金絲的方式有3種~4種。近年來，非晶合金絲材質(zhì)量有了明顯進(jìn)步，但和發(fā)達(dá)國家比，還存在著連續(xù)性不夠、均勻性不好、性能不穩(wěn)定、一致性較差等進(jìn)步空間。缺少高質(zhì)量的非晶合金絲材，對(duì)于高精度傳感器來說，難以快速形成大批量、高穩(wěn)定的市場。
這位負(fù)責(zé)人同時(shí)介紹，為了提高我國在相關(guān)方面的制備和應(yīng)用開發(fā)水平，非晶分會(huì)將于今年11月29日在深圳舉辦第三屆非晶合金絲材等磁敏材料和傳感技術(shù)研討會(huì)，邀請(qǐng)行業(yè)專家、企業(yè)代表等就行業(yè)發(fā)展的痛點(diǎn)堵點(diǎn)進(jìn)行分析研討、出謀劃策，推動(dòng)非晶合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入新賽道。
此外，高質(zhì)量發(fā)展需要高標(biāo)準(zhǔn)牽引。去年，中科院寧波材料所牽頭，非晶分會(huì)協(xié)同，開展了非晶合金絲國家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，有21家科研單位參與。
《中國冶金報(bào)》（2023年11月22日 03版三版）
