納米晶軟磁合金材料在無線充電的應(yīng)用與展望

我們先要知道什么是非晶。在制備金屬的過程中，如果冷卻速度過快，原子處于混亂狀態(tài)，無時(shí)間重新排列，結(jié)構(gòu)為非晶體。納米晶體是在非晶體狀態(tài)的基礎(chǔ)上，通過特殊的熱處理殊的熱處理生長的，但晶體尺寸應(yīng)控制在納米水平，而不是完全晶體。此時(shí)，形成的結(jié)構(gòu)是納米晶體。

非晶是如何制備的？

非晶的制備過程原理非常簡單，就是將母合金融化后，通過噴嘴包噴射在一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥上，瞬間冷卻形成像紙一樣薄薄的帶子。它有幾個(gè)特點(diǎn)：在高溫下，液態(tài)合金的溫度基本在1400℃~1500℃之間，瞬間凝固到接近室溫，需要很高的冷卻速度，達(dá)到每秒百萬度的水平。高速，即使噴帶的速度也很快，30m/s，高精度，噴帶厚度20-30μm，非常薄，這種精度控制是通過設(shè)計(jì)噴嘴包下的狹縫和輥口間距來實(shí)現(xiàn)的。

納米晶合金的制備方法

納米晶軟磁合金是非晶態(tài)帶材通過特殊的熱處理工藝實(shí)現(xiàn)的。首先，將具有特定成分的非晶帶放入熱處理爐中，通過定向控制產(chǎn)生100納米以內(nèi)的晶粒，實(shí)際上形成了非晶體和納米晶體的混合結(jié)構(gòu)。

納米晶合金的優(yōu)點(diǎn)

納米晶和鈷基非晶、鐵氧體相比，它具有飽和磁感高，可以減小磁性器件體積。磁導(dǎo)率高米晶合金是高頻電力電子應(yīng)用中的軟磁材料。

納米晶合金的特性

目前，無線充電QI的標(biāo)準(zhǔn)頻率在100-200k之間。在這種頻率下，納米晶體的磁導(dǎo)率非常接近鈷基非晶體，明顯高于鐵基非晶體和鐵氧體，但損失恰恰相反，明顯低于鐵基非晶體和鐵氧體。

納米晶在溫度應(yīng)用方面也有優(yōu)勢，納米晶不僅在應(yīng)用溫度比鈷基非晶和鐵氧體都要寬外，在-40℃-120℃范圍內(nèi)，納米晶的穩(wěn)定性也明顯優(yōu)于鐵氧體。

在磁性材料設(shè)計(jì)方面納米晶也具備明顯的優(yōu)勢，納米晶可以定向控制磁導(dǎo)率和抗飽和磁場。納米晶的磁導(dǎo)率可在1000-30000內(nèi)隨意可調(diào)。磁性材料的設(shè)計(jì)要求在特定的工作電流下不要達(dá)到磁飽和。一旦達(dá)到磁飽和，就會(huì)停止工作。納米晶體可調(diào)抗飽和磁場可達(dá)30~350A/m，使無線充電的應(yīng)用范圍更廣。

幾種鐵基納米晶體與鐵基非晶體、鈷基非晶體、鐵氧體的比較：飽和磁通密度：鐵基納米晶體明顯優(yōu)于鈷基非晶體和鐵氧體；納米晶體在矯頑力、初始磁導(dǎo)率、飽和磁致伸縮系數(shù)、內(nèi)部溫度、性能變化率等方面均優(yōu)于其他材料。因此，納米晶體是好的軟磁材料。

納米晶的發(fā)展趨勢

隨著電子產(chǎn)品向高頻、節(jié)能、小型、集成方向發(fā)展，應(yīng)用頻率不斷提高，帶材代代更新。從傳統(tǒng)制帶工藝(國內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)水平)厚度22-30μm，到現(xiàn)在的帶材已經(jīng)發(fā)展到三四代，可以達(dá)到14-22μm。而且掌握了更薄的制帶技術(shù)。超薄帶是納米晶帶的發(fā)展趨勢。

自2015年導(dǎo)磁片批量生產(chǎn)以來，導(dǎo)磁片的工藝不斷變化，從片材逐漸向卷材過渡，大大提高了生產(chǎn)效率，滿足了日益增長的需求。無線充電在手機(jī)上很流行，在可穿戴領(lǐng)域有很多產(chǎn)品。未來，無線充電將在家庭、辦公室、公共場所、旅游工具和交通中普及，電動(dòng)汽車將在未來普及。

無線能量傳輸（WPT）：智能手機(jī)、智能可穿戴（小功率）無線充電結(jié)構(gòu)與變壓器相似，由發(fā)射端和接收端組成，發(fā)射端和接收端由線圈和磁性材料組成，磁性材料選擇不同，包括鐵氧體、非晶體、納米晶體等。

軟磁屏蔽材料在無線充電中的作用

隔磁屏蔽：為磁通量提供一條低阻抗通路，降低向外散發(fā)的磁力線，減少對周圍金屬物體的影響，防止產(chǎn)生渦流和信號干擾。

導(dǎo)磁降阻:提高耦合系數(shù)，提高磁電轉(zhuǎn)換效率，利用較少的匝數(shù)實(shí)現(xiàn)更高的電感線圈，降低線圈電阻，降低加熱效率（匝數(shù)越多，電阻越高）。

模擬真實(shí)場景，在相同條件下進(jìn)行比較測試，比較不同厚度的納米晶導(dǎo)磁片和不同磁導(dǎo)率、不同厚度的鐵氧體。隨著厚度的增加，充電效率不斷提高，但納米晶體越厚越好，基本飽和到0.1mm。因此，在設(shè)計(jì)無線充電模塊時(shí)，納米晶體磁片不需要太厚，這將增加材料成本。鐵氧體的規(guī)律與納米晶體相似。磁導(dǎo)率越高，充電效率越高，厚度越厚，充電效率越高，但在相同的充電效率下，納米晶體磁片的厚度只有鐵氧體的一半。

納米晶在無線充電的應(yīng)用是從S7開始，一種材料實(shí)現(xiàn)所有功能，取代了非晶和鐵氧體的組合。一般認(rèn)為，用于NFC的軟磁材料，認(rèn)為納米晶不適合，因?yàn)樵诟哳l，納米晶的損耗遠(yuǎn)大于鐵氧體，但是三星恰恰做了突破，S7的成功應(yīng)用證明了納米晶是可以用于NFC的，隨后的S8/N8/A7/J5/J7等眾多型號產(chǎn)品，將納米晶的應(yīng)用從WPC擴(kuò)展到NFC和MST。

國內(nèi)納米晶體生產(chǎn)代表企業(yè)也在發(fā)射端進(jìn)行了一些嘗試。納米晶體導(dǎo)磁片制作了多種無線充電器產(chǎn)品，具有多站、多功能等特點(diǎn)產(chǎn)品。性能沒有問題?，F(xiàn)在的問題是導(dǎo)磁片的成本高于鐵氧體。