中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)非晶合金材料應(yīng)用分會(huì) 張默涵

2023 年11 月10 日，浙江省科技進(jìn)步獎(jiǎng)揭曉，中科院寧波材料所李潤(rùn)偉研究員領(lǐng)銜完成的相關(guān)非晶合金磁材項(xiàng)目獲得一等獎(jiǎng)。這位深耕磁材應(yīng)用的科研工作者，致力非晶器件的研究并取得顯著成績(jī)。幾年前，他們團(tuán)隊(duì)制備出一款數(shù)字化柔性觸覺(jué)傳感器，作為智能可穿戴設(shè)備，具有高刺激辨別力和分辨率，得到了商家熱捧。該產(chǎn)品精度和靈敏度高，甚至可探測(cè)到蚊子心臟的跳動(dòng)。這種小型化高靈敏度磁傳感器在醫(yī)療、軍工、人工智能、網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)、地質(zhì)勘探等眾多領(lǐng)域有巨大應(yīng)用市場(chǎng)。據(jù)介紹，這傳感器里一種絲材作為磁敏材料起到關(guān)鍵作用。如此地神奇，這究竟是什么材料？

新特性：非晶磁材迎來(lái)新市場(chǎng)

這根絲材是非晶態(tài)合金材料。非晶態(tài)合金又稱(chēng)液態(tài)金屬，或稱(chēng)金屬玻璃。人類(lèi)發(fā)現(xiàn)這個(gè)奇特材料才幾十年時(shí)間，但其出眾的性能得到科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)界高度重視。

非晶合金是目前已知合金中硬度、強(qiáng)度最高的合金材料，是理想的手機(jī)結(jié)構(gòu)件材料。華為折疊屏手機(jī)鉸鏈用了非晶合金制備，可折疊20 萬(wàn)次不變形。多年前，美國(guó)蘋(píng)果公司就布局了很多專(zhuān)利，iPhone4 嘗試用非晶合金做取卡針。特斯拉、凱迪拉克等高端汽車(chē)鎖扣拉手等也選用這個(gè)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，對(duì)比硅鋼鐵心，非晶鐵心節(jié)省75%~80%空載損耗。以一臺(tái)容量為400kVA 一級(jí)能效變壓器為例，全生命周期內(nèi)非晶變節(jié)能達(dá)5.2萬(wàn)kWh ，是典型的節(jié)能環(huán)保材料。已成為新能源汽車(chē)、光伏、風(fēng)力發(fā)電等眾多磁組件優(yōu)先選擇。世界很多國(guó)家重視該材料的發(fā)展與應(yīng)用。日前，美國(guó)能源部（DOE）提出，2027 年美國(guó)配電變壓器擬將采用新標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有按照新標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的變壓器鐵心都將采用非晶合金。日本、歐盟也有要求，倡導(dǎo)使用非晶變壓器為減排放做貢獻(xiàn)。2022 年，我國(guó)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。

非晶合金有些特殊磁性能開(kāi)發(fā)與應(yīng)用為其帶來(lái)全新的市場(chǎng)。20 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效應(yīng)十分典型。巨磁阻抗（GMI）是指材料的交流阻抗隨外加磁場(chǎng)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，其優(yōu)點(diǎn)除了小型化外，更靈敏、更精準(zhǔn)和更可靠。

中國(guó)科學(xué)院院士、南京大學(xué)教授都有為在2022 年的非晶傳感技術(shù)研討會(huì)上指出，現(xiàn)代社會(huì)為磁信息時(shí)代，先進(jìn)智能化設(shè)備離不開(kāi)磁性能。他對(duì)非晶合金磁材及其傳感器件未來(lái)應(yīng)用信心十足。

新賽道：產(chǎn)業(yè)已形成百億規(guī)模

非晶絲材及其制備的器件為非晶合金領(lǐng)域帶來(lái)了全新“絲”路。

軍事上，主要在磁探測(cè)發(fā)揮了重要作用?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，高精度打擊是對(duì)武器的基本要求?，F(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。隨著技術(shù)進(jìn)步，雖然主動(dòng)和被動(dòng)聲吶系統(tǒng)失效技術(shù)得到升級(jí)，但是深海潛艇捕捉依靠聲吶已失去優(yōu)勢(shì)，由于潛艇是鋼制造的，帶有磁性，利用非晶絲傳感器類(lèi)似GPS 定位潛艇軍艦簡(jiǎn)單可靠。

據(jù)了解，軍方磁導(dǎo)航磁探測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域廣需求量大，海外市場(chǎng)超過(guò)30 億。

在醫(yī)療行業(yè)，目前最主要的應(yīng)用市場(chǎng)是電生理領(lǐng)域。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)射頻消融手術(shù)的數(shù)量逐年增長(zhǎng)，僅中國(guó)快速性心律失?；颊咧惺褂脤?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(wàn)例增長(zhǎng)到2020 年的20.2 萬(wàn)例，復(fù)合年增長(zhǎng)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(wàn)例，復(fù)合年增長(zhǎng)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(zhǎng)。預(yù)計(jì)僅國(guó)內(nèi)就有超2 億元/年的市場(chǎng)規(guī)模。

微型磁傳感器因其小體積、抗遮擋的特點(diǎn)使其可廣泛應(yīng)用于其他醫(yī)療及科研領(lǐng)域，如用于腫瘤學(xué)，組織活檢、抽液、放療過(guò)程中跟蹤針尖位置；用于脊柱外科，幫助瞄準(zhǔn)髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端鎖定孔；用于跟蹤內(nèi)窺鏡、腹腔鏡的位置和姿態(tài)；在腎臟神經(jīng)介入，支架和引流管放置，副主動(dòng)脈瘤手術(shù)中跟蹤導(dǎo)絲和導(dǎo)管，以及超聲影像融合等方面，具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。醫(yī)療行業(yè)人士說(shuō)，僅非晶微型磁傳感器在腫瘤穿刺、鼻飼管的需求，2022 年國(guó)內(nèi)超過(guò)3 億元/年的市場(chǎng)規(guī)模。

有資料顯示，我國(guó)磁傳感器年市場(chǎng)需求近400 億，弱磁傳感器有近百億元產(chǎn)業(yè)。

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(mén)檻較高。目前，通常有水紡法、泰勒法等方式，目前日本、以色列等少數(shù)國(guó)家制備非晶合金絲材技術(shù)較為成熟。根據(jù)傳感器用途方向，對(duì)絲材要求也不一樣。海外對(duì)高質(zhì)量敏感非晶合金絲材嚴(yán)格管控，日本鈷基非晶合金裸絲嚴(yán)格限制出口。

早在20 世紀(jì)90 年代，我國(guó)包頭稀土研究院科研工作者開(kāi)始非晶合金絲研發(fā)和制備，并取得較大進(jìn)展。近年來(lái)，在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，非晶合金絲制備生產(chǎn)裝備不斷提升，非晶合金絲制備路徑和方式也不斷取得新的成績(jī)。在國(guó)內(nèi)相關(guān)協(xié)會(huì)和科研單位推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)從事非晶合金絲研發(fā)和制備科研單位有18 家左右，有近10 家企業(yè)從事相關(guān)生產(chǎn)研發(fā)。中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)非晶合金材料應(yīng)用分會(huì)（簡(jiǎn)稱(chēng)非晶分會(huì)）為了促進(jìn)非晶合金絲產(chǎn)業(yè)鏈形成，從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(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和企業(yè)共同交流和研討，對(duì)提升豐富我國(guó)非晶合金絲材產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

但我國(guó)裝備制造等和先進(jìn)國(guó)家相比還存在差距。非晶分會(huì)負(fù)責(zé)人介紹，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)制備非晶合金絲方式有3~4 種。近年來(lái)，非晶合金絲材質(zhì)量有了明顯進(jìn)步，但和發(fā)達(dá)國(guó)家比，還存在著連續(xù)性不夠，均勻性不好，性能不穩(wěn)定，一致性較差等問(wèn)題。缺少高質(zhì)量非晶絲材，對(duì)于高精度傳感器來(lái)說(shuō)，難以快速形成大批量高穩(wěn)定市場(chǎng)要求。

高質(zhì)量發(fā)展需要高標(biāo)準(zhǔn)牽引。2022 年，中科院寧波材料所牽頭，非晶分會(huì)協(xié)同，開(kāi)展了非晶合金絲國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定，有21 家企業(yè)科研單位參與。標(biāo)準(zhǔn)形成對(duì)于選手邁進(jìn)新賽道提供了方向感。

作為新材料，非晶態(tài)合金一直是科學(xué)界研究熱點(diǎn)。中國(guó)科學(xué)院汪衛(wèi)華院士將非晶態(tài)與液態(tài)、氣態(tài)、固態(tài)并稱(chēng)為自然界四種物質(zhì)形態(tài)，贊美它們對(duì)人類(lèi)發(fā)展和科技進(jìn)步起到至關(guān)重要作用。隨著科學(xué)深入研究發(fā)現(xiàn)，非晶態(tài)合金新發(fā)現(xiàn)新應(yīng)用新市場(chǎng)不斷涌現(xiàn)，人們相信，其在未來(lái)生活中必將持續(xù)不斷為現(xiàn)代社會(huì)文明助力賦能。