说说纳米晶软磁合金材料在无线充电的应用与展望


    

什么是纳米晶?



    首先要知道什么是非晶。金属在制备的过程中,如果在它的凝固过程中,用一个超快的冷却速度冷却,这个时候原子在杂乱无序的状态,还来不及重新排列就会瞬间被冻结,这时候形成的结构就是非晶态。纳米晶是在非晶态的基础上,通过特殊的热处理,让它形成晶核并长大,但要控制晶粒大小在纳米级别,不要形成完全的晶体,这时形成的结构就是纳米晶。


非晶是如何制备的?


    非晶的制备过程原理非常简单,就是将母合金融化后,通过喷嘴包喷射在一个高速旋转的冷却辊上,瞬间冷却形成像纸一样薄薄的带子。它有几个特点:

    高温,液态合金的温度基本在1400℃~1500℃,瞬间凝固到接近室温,需要极高的冷却速度,冷却速度达到了每秒百万度的级别。

    高速,就是喷带的速度也非常快,30m/s,高精度,喷出带材的厚度20-30μm,非常薄,这样的精度控制是通过喷嘴包下面的狭缝及辊嘴间距的设计实现的。


        纳米晶合金的制备方法


    纳米晶软磁合金是非晶态带材通过特殊的热处理工艺实现的。首先把具有特定成分的非晶态带材放进热处理炉里通过定向控制生成100纳米以内的晶粒,实际上形成的是非晶和纳米晶的混合结构。


        纳米晶合金的优点



    纳米晶和钴基非晶、铁氧体相比,它具有饱和磁感高,可以减小磁性器件体积。磁导率高,损耗小,矫顽力小,可以降低磁性器件损耗,因此,纳米晶合金是高频电力电子应用中的最佳软磁材料。



        纳米晶合金的特性


    当前无线充电Qi标准的频率在100-200k之间,在此频率下,纳米晶的磁导率和钴基非晶的磁导率非常的接近,明显高于铁基非晶和铁氧体,而损耗却恰恰相反,明显低于铁基非晶和铁氧体。

    纳米晶在温度应用方面也有优势,纳米晶不仅在应用温度比钴基非晶和铁氧体都要宽外,在-40℃-120℃范围内,纳米晶的稳定性也明显优于铁氧体。

    在磁性材料设计方面纳米晶也具备明显的优势,纳米晶可以定向控制磁导率和抗饱和磁场。纳米晶的磁导率可在1000-30000内随意可调。磁性材料的设计,要求在特定的工作电流下,不要达到磁饱和,一旦达到磁饱和,就会停止工作,纳米晶可调抗饱和磁场可达30~350A/m,使得无线充电的应用范围更宽。

    几种铁基纳米晶与铁基非晶、钴基非晶、铁氧体之间的比较:饱和磁通密度:铁基纳米晶除了比铁基非晶略低一点外,明显优于钴基非晶和铁氧体;

    在矫顽力、初始磁导率、饱和磁致伸缩系数、居里温度、性能变化率等方面纳米晶全面优于其他材料,因此,纳米晶是最佳的软磁材料。



     

    随着电子产品正在向高频、节能、小型、集成化方向发展,应用频率也在不断提高,带材一代代更新。从最初的传统制带工艺(国内现有生产水平)厚度22-30μm,到现在带材发展到三代、四代,用先进制带工艺(国际先进生产水平)可做到14-22μm。而且掌握了更薄的制带技术。纳米晶带材的发展趋势就是超薄带。

    

       超薄纳米晶带特性:带材越薄损耗越低。


       导磁片批量化生产工艺变2015年导磁片批量化生产以来,工艺不断变革,由片材逐渐过渡到卷材,大幅提高生产效率,满足不断增长的需求。






    无线充电在手机已经有普及的趋势,在穿戴领域也有很多产品,未来在家里、办公室、公共场所、出行工具、交通都会有无线充电的普及,未来还会有电动汽车的普及。

    无线能量传输(WPT智能手机、智能穿戴(小功率)无线充电的结构类似于变压器,由发射端和接收端构成,发射端和接收端都是由线圈和磁性材料构成,磁性材料有不同的选择,有铁氧体、非晶、纳米晶等。



        软磁屏蔽材料在无线充电中的作用


    隔磁屏蔽:为磁通量提供一条低阻抗通路,降低向外散发的磁力线,减少对周围金属物体的影响,防止产生涡流和信号干扰。

    导磁降阻:提高耦合系数,提升磁电转换效率,使用更少的匝数来实现更高电感的线圈,降低线圈电阻,减少发热带来的效率降低(匝数越多,电阻越高)。




        常用软磁屏蔽材料类型:




        纳米晶导磁片充电效率比较:


    模拟真实场景,在同等条件下进行对比测试,采用不同厚度的纳米晶导磁片和不同磁导率、不同厚度的铁氧体做了充电效率比较。随着厚度的增加,充电效率在不断提升,但纳米晶不是越厚越好,到0.1mm时基本饱和,因此,在设计无线充电模块时,纳米晶导磁片不需要做的太厚,会增加材料成本。铁氧体的规律与纳米晶类似,磁导率越高,充电效率越高,厚度越厚,充电效率也越高,但在同等充电效率下,纳米晶磁片的厚度仅为铁氧体的一半。



        智能手机无线充电发展历程


        2012年诺基亚推出无线充电手机Lumia 920,所用的磁性材料是硬质铁氧体。2013年一款销往海外的手机HiKe 868设计了无线充电和NFC的集成,配备的磁性材料是WPC-铁氧体(刚性)、NFC-铁氧体(柔性)。2015年手机无线充电发生了里程碑式的变化,三星推出首款无线充电旗舰手机Galaxy S6,不仅兼容两种无线充电的标准,WPCPMA,还配置了两种支付标准NFCMST,匹配用的软磁屏蔽材料除了铁氧体外,首次使用了非晶导磁片,使得手机不仅做的轻薄精美,还大幅提升了无线充电效率。到2016年三星又做了改进,把磁性材料全部换成了更加先进的纳米晶导磁片,引领无线充电技术的变革,始终处于领先地位。从这几年的发展历程看,在功能上从单纯的无线充电加上了NFCMST近场通讯的功能。磁性材料则从铁氧体逐渐过渡到纳米晶。



        应用案例


    纳米晶在无线充电的应用是从S7开始,一种材料实现所有功能,取代了非晶和铁氧体的组合。一般认为,用于NFC的软磁材料,铁氧体是最佳的,而认为纳米晶不适合,因为在高频,纳米晶的损耗远大于铁氧体,但是三星恰恰做了突破,S7的成功应用证明了纳米晶是可以用于NFC的,随后的S8/N8/A7/J5/J7等众多型号产品,将纳米晶的应用从WPC扩展到NFCMST

   国内纳米晶生产代表企业安泰科技在发射端也做了一些尝试,用纳米晶导磁片做了几款无线充电器产品,有多工位、多功能等特色产品,性能没有任何问题,现在唯一的问题就是导磁片的成本比铁氧体高。


        手机无线充电发展趋势:


    功能:WPC→WPC+NFC→WPC/Airfule+NFC

    无线充电——无线充电+——随意充

    功率:5W→7.5W→10W→15W

    慢充——普充——快充——闪充


        导磁片发展趋势:


    接收端:吸波材料铁氧体非晶+铁氧体纳米晶


        纳米晶导磁片


     薄——超薄:0.14→0.12→0.11 →0.10

     高磁导、低损耗——Q


       应用与普及:


        n小功率:手机、智能穿戴等

        n中功率:电脑、厨房家电等

    大功率:电动汽车、道路等基础设施


    未来,将是无线的世界,改变生活,改变世界。


(文章综合自爱邦产业、安泰科技等公司与媒体)























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