非晶合金——节能降损助推器

国信证券博士后工作站 马睿 徐小凤

非晶合金是一种在原子尺度上呈现短程有序、长程无序、非周期性排列的金属材料，又被称为“液态金属”或“金属玻璃”，主要分为铁基非晶、钴基非晶、锆基非晶等。铁基非晶具有许多优良的物理特性，因此被广泛应用于电能领域，文中所述的非晶合金主要指铁基非晶合金。

节能降损：新型电能转换需求

节能降损是当前全球面临能源紧张和环境问题时的重要议题，电能伴随着人们生活的每一分每一秒，电能转换领域的节能降损显得至关重要。随着现代化进程的不断加速，用电场景变得多样化，电能消耗不断增加。传统的电能转换设备由于效率低下、损耗大等问题，已经无法满足现代社会对于高效、环保的需求。因此，研发和推广新型电能转换技术，提高能源利用效率，降低能源转换过程中的损耗，已成为当务之急。

在这样的背景下，新型电能转换技术的需求日益增长。这些技术包括高效能的电子器件、绿色电网建设、以及新能源动力系统等的完善，以及与电能场景息息相关的磁性材料的不断探索、发展。

　非晶合金：节能降损助推器

非晶合金是20世纪60年代发展起来的一种新型软磁合金材料，主要包含铁、硅、硼等元素，能在磁场作用下快速磁化，在磁场消失后又快速退磁。目前，非晶合金的主要制品包括非晶薄带、块体非晶、非晶粉末三种，不同形态的非晶合金应用于不同电能场景。非晶合金主要采用现代快速凝固冶金技术进行冶炼，包括单辊急冷法、双辊急冷法、悬滴熔化提取法和平面流铸造法等方法，将合金熔液以每秒106 K的速度急速冷却，形成厚度为十几到几十微米的非晶合金薄带。

特殊的内部原子结构所形成的物理特性使非晶合金能够广泛参与新型电能转换的过程，原子排列呈现的无序结构使其具有高电阻率，从而能够在高频率应用环境中保持较低的磁损耗。无晶体结构使其不具有晶格以及晶界缺陷，不存在对于磁畴移动的阻碍，使之具有高磁导率和低矫顽力。此外，非晶合金还具有各向同性以及强度高、硬度大、耐磨性好等特性。目前，非晶合金被大批量地应用于节能变压器铁芯的制备，变压器是电能运输过程中实现升压和降压目的的设备，铁芯是节能变压器的最重要的组成部分。

目前，国内的乃至全球电力系统建设完备的国家电网配电变压器主要以硅钢变压器为主，非晶变压器主要应用于电力建设刚起步的国家电网系统的建设以及新型电力应用领域，如数据中心供电系统、轨道交通供电系统等。不难看出，在配电变压器领域，硅钢与非晶合金存在着竞争关系。相比于传统的硅钢材料，非晶合金得益于自身内部的无序排列结构，具有更突出的节能降损特性，并且从非晶合金的制备到使用的全生命周期，做到了“制造节能、使用节能、回收节能”，是一种新型绿色环保材料。同时，非晶合金薄带的制备过程是将母合金融化后，通过喷射包将熔融合金喷射在高速旋转的冷却辊上，瞬间形成薄带，整个过程为一次成型，相对于取向硅钢制备中所需要经历的冶炼、连铸、热轧、酸洗、冷轧、脱碳退火、去应力退火等程序简洁许多，因此在制备过程中也实现了节能目的。

对于非晶合金的应用，其磁性能优势使之能够保持较高的电阻率和较低的矫顽力，进而具有很低的磁滞损耗和涡流损耗，相较于其它软磁合金材料更适用于具有一定频率的环境中，具体表现在：非晶合金制备的变压器的空载损耗比硅钢变压器下降60%-90%，例如SCBH15系列非晶干式变压器空载损耗相较于GB/T10228规定值下降75%，可极大降低运行成本，节能效果显著。根据非晶合金生产企业公开资料，40万台SH15型非晶变压器累计运行一年较同规格S13硅钢变压器节约约20亿度电。

　政策助力，非晶合金市场不断攀升

2023年2月，国家发展改革委等9部门联合印发了《关于统筹节能降碳和回收利用 加快重点领域产品设备更新改造的指导意见》并提出目标：到2025年，在运能效达到节能水平(能效2级)及以上的高效节能电力变压器占比较2021年提高超过10个百分点，当年新增高效节能电力变压器占比达到80%以上，实现年降低电力损耗约160亿千瓦时，相当于年节能约480万吨标准煤，年减排二氧化碳930万吨。形成一批高效节能电力变压器骨干优势制造企业和产业集群。我国电力变压器中硅钢变压器和非晶变压器的份额主要由国家电网和南方电网招标决定，根据往年招标情况，南方电网对非晶变压器的招标占比大于国家电网，因为非晶变压器更适用于用电集中度偏低的区域。而南方电网覆盖范围除了广东，大部分地区用电负荷相对偏低，如云南、贵州、广西、海南等。同时，非晶变压器也被大量用于负荷较低的农村电网改造。除了我国，美国能源部在2023年1月也提出，美国将采用新标准的配电变压器。根据美国将采用的新标准显示，几乎所有按照新标准生产的变压器都需要采用非晶合金制备变压器铁芯。

在国家政策对节能变压器的支持下，非晶变压器除了在电网系统建设中迅速发展外，在“新基建”中也崭露头角，迎来了更广阔的市场。新基建主要包括了新能源、人工智能、数据中心、特高压、城市轨道交通等场景，通常具有间歇性用电、短时用电量大、负载率低的特点，同时对变压器的供电稳定性要求高。非晶合金相比于取向硅钢，变压器空载损耗可大幅降低，因此非晶变压器尤其适用于“新基建”应用场景，达到降低电能损耗，提高转换效率的目的。国家政策的大力支持使“新基建”迎来了历史性发展机遇，非晶变压器的市场不断提升。

　非晶电机，打开非晶应用新市场

电机是利用电磁感应现象，将输入的电能通过磁性材料转换为动能，最终提供给整个系统动力的设备。在电能转换为动能的各个场景中，都需要电机的参与。新能源汽车包括三个核心部件，分别是动力电池、驱动电机和电控系统，是目前对电机要求相对较高、驱动电机市场得已提高的主要应用，除此之外，机器人领域也是新型的驱动电机下游市场。

驱动电机中主要的组成部分为定子和转子，二者产生电磁感应的主要部分为铁芯。常见的驱动电机中，铁芯采用无取向硅钢片层层堆叠制备而成，这种硅钢铁芯的制备方法旨在提高电机效率以及能量密度：硅钢材料高饱和磁感应强度能够在相同电流条件下提高电机功率，同时减少铜线绕组减小电机体积和质量；硅钢采用片层堆叠形式制备可在电磁感应产生时，将涡流控制在片层内部，片层之间的绝缘材料阻止电流在整体形成回流，从而减小了涡流损耗，也减小了电机整体的功率损耗。

非晶材料由于自身具有较大的电阻率和极小的矫顽力，相比于硅钢材料损耗能够显著下降，同时非晶材料的力学强度于硅钢相仿，因此，用非晶合金替代电机中的硅钢的研究早已展开。美国通用公司1978年就已经申请了采用非晶合金做电机定子铁芯的专利，美国莱特公司是最早实现非晶电机产业化的公司，日本日立金属在2005年至2012年对非晶电机也进行了集中的研究开发，样机主要面向家电和小型工业驱动系统。但由于非晶材料质地坚硬，强度大、硬度高，并且非晶带材通常厚度极薄，导致冲压困难，加工成本较高，使之无法成熟应用。国内车企近两年对于非晶电机的研究也有所突破，2023年年初，国内车企自主研发、生产并应用于高端新能源车的高性能集成电驱技术群引起了广泛关注，其中，驱动电机采用了非晶合金制备。根据官方数据公布，采用了非晶电机后，铁芯损耗降低了50%，功率密度达到12kW/kg，电机最高效率达到98.5%，并且，电驱系统体积相比主流电驱缩小一半。国产非晶电机真正做到了“小体积、大功率”，实现了商业化的突破。

结论：非晶合金行业大有可为

综上可知，非晶合金行业正处于快速发展的黄金时期，其独特的材料特性和广泛的应用前景使得这一领域备受瞩目。随着技术的不断创新和市场需求的日益增长，非晶合金在电力、电子、汽车、AI等多个行业中展现出巨大的商业价值和发展潜力。市场预测，非晶合金材料的进一步研究与应用将为推动工业升级和促进可持续发展提供重要动力，预示着非晶合金在未来将大有可为。

( 作者：国信证券博士后工作站 马睿 徐小凤 编辑：谭梦桐 )