非晶合金又称液态金属,是兼备玻璃、金属、固体和液体特性的新型金属材料,其抗弯强度、抗拉强度、弹性形变等均优于常用材料。作为近20年来国内外最炙手可热的高新技术材料之一,非晶合金凭借自身突出的物理、化学和力学性能,一跃成为电子、电力、计算机以及通讯领域的关键材料。
我国的非晶合金研发起步于20世纪70年代,当时美国、日本、苏联,以及德国、英国等欧洲国家是这个领域最活跃的国家。国外对于非晶核心技术一直处于全面封锁的态势,这更是加深了我国在这一新型材料领域的攻关难度。现阶段,我们已经取得了该领域的重大突破,取得了举世瞩目的成果。
打破非晶核心技术封锁,两项商业应用已遥遥领先
3年前,在华为第一款折叠屏手机发布会上,一贯寻找产品特色的余承东,用了一页PPT介绍了液态金属,和用它制作的转轴材料。至今,所有的厂商的折叠屏手机发布会上,这一转轴材料从未缺席。
到目前为止,华为mate系列的铰链配件是液态金属在手机领域最大的应用案例。正是由于液态金属的加入,才能在厚度较小的情况下达到铰链支撑折叠屏手机的强度和精度的要求,重点解决了折叠屏手机目前面临的一个重大痛点——折痕,经受住数十万次的折叠测试。
根据IDC数据显示,中国已跃升为全球最大的折叠屏智能手机市场,这一趋势主要得益于折叠屏技术的不断创新和改进,使得手机屏幕能够更加灵活地折叠和展开,提供更好的使用体验,液态金属功不可没。
在我们日常生活中,除了折叠屏手机之外,最常见的应用领域当属变压器,甚至在国内诞生了单品全球占有率最大、掌控全球一半产能的龙头企业。
变压器是电力输配中的关键节点,发挥连接电网各环节的作用,输配电过程中变压器产生的较大电力损耗引起严重的电量浪费。数据表明,2021年变压器损耗达到了1628亿度,约占输配电损耗的40%,占全国发电量的2.6%。在节能减排的趋势下,必须尝试用新型材料来升级改造百亿市场规模的变压器,缓解电量浪费的状况。
近年来,从国家电网、南方电网等大型企业公开的招标信息中发现,“非晶合金”类变压器采购量较之前明显增加。非晶变压器较传统硅钢材料,空载损耗降低了60%—80%,具有节能效果先进性、使用成本经济性的特点,对安全性、可靠性的要求较高,有望成为下游行业应用主流。
伴随着新能源汽车发展的不断推进,其应用范围也将不断扩大,将更多应用于电动汽车、储能系统、充电桩等新能源技术领域,为电能设备提供更多灵活的解决方案,从而为中国非晶合金变压器行业带来更多发展机遇。
现如今,经过我们四十多年的奋斗,中国非晶合金产业不仅实现了从无到有的变化,甚至成功打破了国外非晶核心技术全面封锁态势,实现了非晶变压器自主产业化,更利用这一新材料支撑起中国在全球折叠屏手机和变压器市场的遥遥领先。
目前,我国的非晶合金科研人员占全球2/3,年轻研究人员水平越来越高,研发水平已超过日本和欧盟,与美国相当,成为世界第一梯队,相关专利申请量全球排名第一。2010年我国建成首个年产 4 万吨铁基非晶带材生产基地,打破国外垄断,成为第二个拥有非晶带材产业技术的国家。
自2010年以来,我国铁基非晶带材产业化应用已经有10多年时间,目前基本实现非晶合金产业全覆盖。其中主要参与者包括安泰科技、云路股份、中研非晶、兆晶科技、江苏国能、河南中岳等企业。据中国电器工业协会非晶合金分会大数据库信息显示,今年前三季度,我国铁基非晶带材产量接近10万吨,占全球总产量约85%,成为全球最大的铁基非晶合金产业国。
非晶合金走向纵深式发展,传感器技术“四面开花”
传感器技术作为信息技术的三大基础之一,是当前各发达国家竞相发展的高新技术,已经在智能交通、航天航空、消费电子、工业智能测量、生物医学、环境监测、电磁、军事等多个领域有着广泛的应用场景。美国公布的最新版“关键和新兴技术”清单里新增的技术类别就包括网络传感器技术,并加大在该领域对中国的技术封锁,而我国也已将传感器上升为国家经济和国家安全的战略高度。
非晶合金因其材料具有独特性质,是各类传感器企业视为竞争性的材料,纷纷关注并希望在新一代产品能用上非晶合金为其赋能。
近些年,科学家们对电子皮肤不断进行探索,因为它在智能机器人、仿生假肢、健康监测等领域有巨大应用前景。电子皮肤的基本单元是柔性应变传感器,然而现在的应变敏感材料,由于导电性差、能耗高、制作工艺复杂、成本高等缺点,极大地限制了电子皮肤的实际应用。所以,寻找新型应变传感材料迫在眉睫。
利用非晶合金材料的优越特性,中国科学院物理研究所和中国科技大学的联合研究团队研制了一种新型柔性高性能应变传感器——非晶合金皮肤,表明非晶合金与传感器技术的结合正在让科幻变成现实。
更多的是,利用非晶丝作为关键磁敏材料制成的各种传感器,相比市场成熟的并大量使用的磁阻传感器而言,具有迟滞小、响应速度快、分辨率高、灵敏度高、功耗低的优势,它的应用已经切入到更多细分领域,参与到高精尖科技的国际竞争中来。
此外,用于实验室环境磁场检测的高灵敏度GMI磁传感器已走进市场,有效缓解实验室内部电磁环境污染带来的负面影响。研究人员以钴基非晶丝为核心敏感材料,采用非对角激励方式测量磁场变化,相比于其他传统磁传感器具有明显优势,可应用于实验室环境磁场测量、地磁场探测、空间弱磁场探测等领域。
在俄乌冲突中,我们经常看到高精度导弹一词,涉及到的地磁导航一直是军方重点关注技术。相关军迷提供的资料显示,采用巨磁阻抗非晶丝研制成的高灵敏度、快速响应、高温度稳定性、低功耗的微型GMI微磁传感器实现精准的磁导引,当三轴捷联式GMI非晶丝磁强计分辨率提高到0.1nT可将磁导航的精度提高到1.5m左右。
的确,采用巨磁阻抗非晶丝研制成的微型GMI微磁传感器可以实现飞机、舰艇、军车、卫星、导弹、炮弹和水下武器的地磁场全球定位和地磁场定向导航和地磁匹配制导,实现导弹、炮弹、炸弹、鱼雷、巡航水雷等武器的磁导引,并对潜艇、隐形飞机、战场部队调动、甚至海底,电缆等进行遥感磁探测。
非晶合金微磁传感器在医疗领域的应用也日益成熟,成为医疗电磁定位系统的重要组成部分,其性能直接影响到系统的定位精度,逐渐代替传统的X光检查应用于射频消融手术,在免受辐射的同时准确建立心脏三维模型、监测记录导管轨迹,提高手术的安全性。并在肿瘤穿刺、肾脏神经介入、鼻饲管、超声影像融合等其他医疗及科研领域的应用也迅速扩展。
社会各界力量协作攻关,传感器行业盛会呼之欲出
现阶段,我国有不少传感器、信号处理和识别系统仍然依赖进口,相关传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成,产品的改进与革新速度较慢。非晶材料传感技术是非晶合金和传感器领域十分值得重视的新赛道,或将成为我们众多拟布局非晶合金行业弯道超车的一次重要机会,自主可控、国产替代仍是主要方向。
任何一项“硬科技”的诞生都需要经过漫长周期的努力,赶超国外先进水平绝不是仅仅靠单方面的力量,需要在“产、学、研、金、企、政、媒”各个环节形成行业共识、协作攻关。行业协会更要担负起自身的责任与使命,积极组织协调社会各界力量,在促进学术交流和合作、推动技术创新和发展、探索应用领域和商业机会、增强行业影响力和声誉等方面发挥重要作用。
关注非晶合金发展,特别是我国非晶软磁合金传感器产业的发展,有个会不得不提一下:中国电器工业协会非晶合金材料应用分会定于2023年11月29日在深圳前海召开“磁爱世界-感动未来”为主题的第三届非晶合金磁敏材料暨传感技术与应用研讨会。
非晶合金分会秘书祁萍女士介绍,这次会议邀请国内外相关院士、科研工作者、企业及应用单位介绍非晶合金(不限)软磁材料在磁敏传感器的研究新进展、技术新突破、应用新场景以及市场新需求。
她说这次会议有以下三个特点:一是层次高,邀请国内外行业深耕的院士专家来作报告,有高度;二是领域广,非晶磁敏材料不仅在微磁传感器上有不可替代的竞争优势,在医疗检测等行业更是形成蓬勃发展态势;三是链条全,报告有上游解决非晶丝材制备痛点问题,也有下游微磁传感技术新应用,更有学科交叉横向的延链补链环。总之,是一次学界、产业界难得的交流探路的好平台。
据了解,每个会议环节都经过主办方的精心设计,除去华而不实直击问题所在,邀请那些在学术界、企业界有话语权的人,兼顾大家对科学研究与商业化落地的需要。在给参会者提供一场思想盛宴的同时,还给出最新成果和解决方案,真正做到知行合一。
万物互联,单枪匹马做研究、做企业的时代不复存在,寻求共生与合作才能更早的看见未来。如果你是来自于电力电子、新能源、智能装备、航空航天、军工医疗等领域的相关企业、科研院所、高校代表,相信这次盛会对你意义非凡。这可能是近年来最影响中国微磁传感器行业的一次会议,事关我们的当下和未来,甚至会成为微磁传感器领域前沿科技的风向标,开辟出下一篇产业蓝海的勃勃野心。
与其等风来,不如主动出击。非晶合金、传感器技术的下一次颠覆性创新在哪里?打开行业学术研究困惑的解题思路是什么?相关企业弯道超车的杀手锏会是什么?或许你从这场大会中都能够找到一些答案。
深圳前海,你能不来?
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