纳米晶的优点及作用

　　纳米晶材料同时具备了硅钢、坡莫合金、铁氧体的优点。即：

　　1. 高磁感：饱和磁感Bs=1.2T，是坡莫合金的一倍，铁氧体的2.5倍。铁芯功率密度大，可以达到15 kW～20kW/kg。

　　2. 高磁导率：静态初始导磁率μ0可高达12万～14万，与坡莫合金相当。用于功率变压器铁芯的磁导率是铁氧体的10多倍，大大降低了激磁功率，提高了变压器的效率。

　　3. 低损耗：在20kHz～50kHz频率范围是铁氧体1/2～1/5，降低铁芯温升。

　　4. 居里温度高：纳米晶材料的居里温度达570℃，铁氧体的居里温度仅180℃～200℃。

　　由于以上的优点，纳米晶制造的变压器应用在逆变电源上，对电源可靠性提高起了很大作用：

　　1. 损耗小，变压器温升低，大量用户的长期实际使用证明，纳米晶变压器的温升远远低于IGBT管子的温升。

　　2. 铁芯磁导率高，降低了激磁功率，减小了铜损，提高了变压器的效率。变压器的初级电感大，减小了电流在开关时对IGBT管子的冲击。

　　3. 工作磁感高，功率密度大，可达到15Kw/kg。减小了铁芯的体积。特别是大功率逆变电源，体积减小使得在机箱内空间增大，有利于IGBT管子的散热。

　　4. 变压器的过载能力强，由于工作磁感选择在饱和磁感的40%左右，当过载发生时，仅由于磁感增高产**热，而不会因铁芯饱和而损坏IGBT管子。

　　5. 纳米晶材料的居里温度高，假设温度达到100℃以上时，铁氧体变压器已经不能工作，纳米晶变压器完全可以正常工作。

　　纳米晶的这些优点，被越来越多的电源生产厂家认识并采用，国内一批生产厂，已经采用纳米晶铁芯，并应用多年。越来越多的厂家开始使用或试用。目前已经广泛应用在逆变焊机、通信电源、电镀电解电源、感应加热电源、充电电源等领域，今后几年还会有更大幅度的增加。

纳米晶材料在应用中的问题

　　纳米晶材料在应用于逆变电源的过程中，曾出现了一些如噪声问题、脆性问题、一致性问题等，在一定程度上对推广应用带来影响，引起了关注。现在这些问题都已经逐步得到解决。

　　(一)噪声问题

　　噪声的形成有多方面的原因：

　　1.材料本身磁致伸缩系数的原因，铁氧体材料的磁致伸缩系数比较大，尽管铁氧体磁芯是实心的，在使用有时也会出现噪声。纳米晶的成分不同，磁致伸缩系数不同，前几年使用的成分，是一种通用的合金的成分，因此制造出变压器的噪声问题比较突出，随着应用、开发越来越深入，针对不同用途采用不同的合金成分，以满足不同器件对磁性的特殊要求。例如，作为功率输出变压器、电流互感器、共模电感等，都开发出专用的成分。根据功率变压器的要求调整的合金成分，降低了磁致伸缩系数，经用户使用证明，噪声问题已经大大改善。

　　2.铁芯卷绕松紧上的原因，这与使用的带材质量有很大关系，带材尺寸偏差、厚薄不均匀都会造成铁芯卷绕不紧，容易产生噪声。调整成分后，钢水流动性好，有利于带材的成型质量，在一定程度上为降低铁芯噪声，提供了有利保证。

　　3.逆变电路方面的问题，电路中直流成分大，造成铁芯的工作磁感提高，引起噪声。我们的实验证明，噪声随工作磁感的提高而增大。有的厂家在电路上采取了隔直流措施，使用纳米晶铁芯多年来没有出现噪声问题。

　　通过以上的改进，噪声问题基本得到了解决。

　　(二)脆性问题

　　纳米晶铁芯的脆性主要反应在铁芯掉渣，是用户反映*大问题，不仅对安装操作是**的事，而且容易给电路造成短路的隐患。经过多年的实践、研究，脆性问题通过对成分、工艺的调整，得到大大改善。成分调整后，带材的柔韧性显著改善。带材厚度的减薄也减低了脆性。此外在制造铁芯的工艺上，对铁芯浸注无应力胶，使得铁芯不易破碎，彻底解决了铁芯的掉渣的脆性问题。同时，由于无应力胶把铁芯带材的层间隙固定，使其不易产生共振，减少了噪声的产生。

　　(三)一致性问题

　　一致性跟生产规模有关，与生产设备的容量有关。从带材的质量看，一台500公斤产量的设备和50公斤产量设备比较，同样生产500公斤带材，显然，前者产品在成分、磁性能的一致性要好于后者。同样在生产过程中的热处理也是同样。所以生产规模大、生产设备容量大对一致性有利。

　　纳米晶的一致性在用户使用中，主要表现在饱和电压和电感量离散性大，有时会相差一倍多。主要原因是磁场热处理的效果差、生产检验没有分类筛选。随着用于功率变压器的成分的调整，不仅改善了脆性，而且降低了材料的剩余磁感应强度，因此，增大了磁场热处理的效果，提高了铁芯的饱和电压，对产品一致性起了重要作用。

　　对逆变电源所要求的磁性能，有一个逐步认识过程，前几年，由于用量较小，只强调损耗达到要求就可以了。所以，性能检验只测量损耗这一个参数。对特定的用户，增加检验感应电压值。随着应用的量越来越大，各种各样的要求随之提出，特别是性能一致性的要求特别突出。由于对这种要求有一个认识过程，所以无论在成分改进、生产组织、测试标准等方面，都有些滞后。因此对推广应用有一定影响。现在这个问题得到了足够的认识，并采取了多种有效措施，一致性已大大提高。

　　(四)价格问题

　　价格问题是用户*关心的，特别是准备使用或刚刚开始使用的用户。价格与生产量有直接关系，这几年，随着纳米晶铁芯应用的领域越来越广泛，不仅用于逆变焊机，而且大量用于电解电镀设备、感应加热设备、充电设备、通信电源、UPS电源、X光机电源、激光电源、变频调速电源等领域，产量越来越大，价格也有较大幅度的降低，目前的价格比*初的价格已经下降了约40%，随着应用量的不断增大，价格会越来越低，纳米晶的价格会越来越接近铁氧体的价格。

　　目前对于15千瓦以上的大功率的电源来说，实际上纳米晶铁芯的价格已经低于铁氧体铁芯了。因为铁氧体铁芯的尺寸有限，大功率变压器所需要的磁芯很难解决，不得不使用几个铁芯才能满足功率要求。而纳米晶铁芯一个就可以了。从单价上看，铁氧体便宜很多，但几个铁芯的总价就比纳米晶铁芯的价格高了。

纳米晶硬质合金显微组织和力学性能

　　1、显微组织

　　纳米晶硬质合金的显微组织非常细小，决定了其优良的力学性能。但由于纳米粉末的制备方法、烧结工艺不同。其显微组织也各不相同。Jia等在1350℃烧结用喷雾转化法制备的纳米WC-Co粉末，得到纳米硬质合金WC晶粒尺寸约为70 nm，其晶粒的边界与普通的硬质合金相同，同样是平直的边界。但其位错密度反而明显少于普通的硬质合金。用不同的制备方法来制备的纳米硬质合金粉末，其粉末的显微结构有很大的不同，如采用化学法合成与机械球磨方法合成的WC/Co粉末，尤其是机械球磨使晶粒发生较大的变形，而且堆积大量的位错。尽管烧结时位错大部分消除，但仍然有很高的位能。

　　2、力学性能

　　随着粘结相自由程的减小，硬质合金的维氏硬度显著提高:当钴粘结相平均自由程为30 mn时，其维氏硬度高达2300kg/mm²以上。而且裂纹扩展阻力也随着提高，相应提高合金的韧性。

　　3、刀具切削性能

　　纳米晶硬质合金制作的刀具产品具有非常优异的使用性能。比如RTW公司制造的印刷电路板纳米硬质合金钻头与普通硬质合金钻头相比较，钻相同数量的微孔时其磨损量小很多。

　　2 在硬质合金领域，纳米技术的一些开发和应用方向

纳米晶硬质合金的开发

　　纳米晶硬质合金的开发可归纳如下几方面:

　　(1)纳米晶硬质合金的研制打破了常规硬质合金生产中的一些定律，即硬度提高必然伴随韧性下降的结论。

　　(2)研究和开发还处在初级阶段、工艺与技术有待完善和**，批量生产还有待突破。

　　(3)根据WC-Co的纳米尺度来推断产品的晶粒度和性能的理论已起步。

　　(4)纳米WC-Co硬质合金材料烧结过程中晶粒长大迅速，材料中很易出现致密度不高、晶粒粗大。有关添加晶粒生长抑制剂防止烧结过程中晶粒疯长的报导文献较多，但有关低温烧结纳米硬质合金的报导不多。

　　(5)对于纳米材料晶界的研究多为表象研究，尚未形成明确、深刻、系统的理论，而且对于纳米WC-Co硬质合金材料晶界作用机理的研究报道很少。

　　(6)纳米WC-Co硬质合金的烧结工艺的改进和**，以及对其烧结特性、烧结机理的研究是今后研究的重点。

　　纳米晶或纳米结构以下的硬质合金，将是本世纪的开发重点，会是一次技术**。目前，将是重点对描述纳米晶硬质合金的专业名词术语进行标准化构想，对晶粒尺寸进行预测，能对硬度和磁性能推导出一个理想模型。对一些合适的经验公式讲行规范化整理，晶粒尺寸测量标准化。

　　未来纳米晶硬质合金的开发，无金属粘接相的合金开发将是热门。具有高度催化制造WC-Co复合超微粉的构造系统将*有前途。纳米晶硬质合金的开发将给人类带来巨大的效益。纳米晶硬质合金的产业化即将来临。

纳米晶硬质合金的应用

　　纳米WC-Co硬质合金，因其特殊的耐磨蚀、高硬度，以及优异的断裂韧性和抗压强度被广泛应用于现代科技各个领域，己被制成加工集成电路板的微型钻头、点阵打印机打印针头、整体孔加工刀具、木工工具、精密模具、牙钻、难加工材料刀具等。其主要应用概括为以下几个方面：

　　(1)金属加工当初，亚微细WC硬质合金的开发是为了解决高温合金等难加工材料的切削加工的需要，现代纳米WC硬质合金在强度和韧性方面优于亚微细合金，因而更适用于高温合金、钛合金、不锈钢、各种喷涂(焊)材料、淬火钢、冷硬铸铁等的加工。纳米WC硬质合金突破了普通硬质合金的抗弯强度远比高速钢低这个局限，其应用已延伸到高速钢占统治地位的领域。

　　(2)电子工业电子工业产品的发展趋势是小型化、集成化、精密化。集成电路板材质是环氧树脂粘结玻璃纤维或玻璃纤维增强的塑料。这就要求微型钻头有很高的硬度和耐磨性;而钻头直径很小(一般0.2～0.3mm，甚至0.05mm)、易折断，还要求钻头有高的强度和韧性：并且钻孔需要正确的孔位精度，又要求钻头有高的刚度(弹性模量)，这些要求相互矛盾。致使普通硬质合金以及亚微细晶粒硬质合金钻头都难以满足这些要求，只有用晶粒度小于0.5µm的纳米晶粒硬质合金才行。又如点阵打印针，其直径仅有0.2-0.35mm;加工集成电路引线的框架用的多工位跳步模，冲头厚度≤0.2mm,误差仅为0.002mm;另外还有印刷电路板引线切头用的圆片切刀，以及精密的小模具等，都要求使用纳米晶粒WC硬质合金来制作以实现其功能。

　　(3)木材加工早在50年代，硬质合金镶尖工具就被用于木材加工行业。而今，各种材质的板材的出现，对加工精度和外观的要求大大提高，高速切割时的离心力、切削力使普通硬质合金难以满足加工要求，于是纳米晶粒WC硬质合金有了用武之地。

　　(4)医学应用医用牙钻是精细仪器，其切口必须锋利，而且要求具有很好的耐磨性和韧性，超细晶粒WC硬质合金以其高强度、高韧性和耐磨性在这一领域得到广泛的应用。

　　(5)其它应用纳米晶粒WC硬质合金由于其晶粒细小，作刀具可以磨出精度极高、锋利的切削刃和刀尖圆弧半径;因其高强度就可用于制作大前角、小进给量和小吃刀量的精细刀具，如小直径立铣刀、小铰刀等;因其高弹性模量、抗磨擦磨损性能，可用于制作高精度模具、冲头等;另外还可用于制作高耐磨、耐冲蚀工具，如高压喷嘴、阀门、高压枪、玻璃刀、纺织品切刀以及磁带、录相带切刀等等。另外科学家们还正在研制圆形刀具、凿岩刀具以及纳米WC-Co基增强复合材料等。因此开发纳米WC硬质合金和寻求更为广阔的应用领域成为发展的热点，而制备的关键技术在于纳米原料粉末的制备及随后的烧结过程。减小粒径是提高WC-Co硬质合金性能(强度、硬度和抗磨性钧的有效途径，因此研制纳米晶硬质合金是下阶段研究者的开发重点，它将大大拓宽WC-Co硬质合金的应用领域，并因此带动各种精密仪器、模具、刀具及电子通信技术的飞速发展。研制纳米晶或纳米结构的WC-Co硬质合金的关键是探索新型的制粉和烧结工艺，尤其是在抑制晶粒长大方面的研究，通过精减工艺，降低烧结温度来进一步降低成本，实现纳米WC-Co硬质合金的产业化。