吳曉丹 張華
隨著各行業復工復產的有序展開，經濟逐漸恢復，立足于科技端基礎設施建設的“新基建”，成為近期關注熱點。“新基建”主要涉及5G基站及其應用、光伏電網及特高壓、工業互聯網、城際高速鐵路和城際軌道交通、新能源車及充電樁、人工智能、云計算大數據中心等7大領域。高科技產業發展的關鍵在材料。研究“新基建”的專業人士指出，非晶合金在“新基建”領域有可能“上對了轎子嫁對了郎”。
非晶合金是由超急冷凝固、合金凝固時，原子來不及有序排列形成的結晶，以長程無序結構，沒有晶態合金的晶粒、晶界存在。其具有耐腐蝕、小型化等許多獨特的性能，尤其是在軟磁性能方面具有獨特優勢，如具有高飽和磁感應強度(1.54T)，磁導率、激磁電流和鐵損等性能優于其他軟磁材料，可用于制造現代高科技設備或產品中的關鍵磁組件。
吹響非晶合金市場“沖鋒號”
據相關統計數據，截至3月1日，全國已有13個省（直轄市、自治區）發布了2020年重點項目投資計劃清單，總投資額達到33.83萬億元，隨著其他地區相關計劃逐漸發布，預計投資額很快會超過50萬億元。從已披露具體投資計劃的地區來看，基建投資是各地投資計劃中的重要組成部分，部分地區基建計劃投資額甚至占到了總投資額的一半以上，“新基建”正包含在其中。
3月4日，中國信息通信研究院副院長王志勤發文稱，截至今年2月初，三大運營商共在全國開通5G基站約15.6萬座。她表示，今年是我國5G網絡建設的關鍵期，預計2020年底全國范圍內將累計開通5G基站超過55萬座，實現地級市室外連續覆蓋、縣城及鄉鎮重點覆蓋、重點場景室內覆蓋。根據相關分析，2022年~2023年，全球新建5G基站的數量將達到約288萬座。
“新基建”政策利好也將加速對充電樁板塊的投資，整個充電樁行業將因此受益。2020年1月份，中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟發布的《2019-2020年度中國充電基礎設施發展年報》顯示，截至2019年12月底，全國充電基礎設施累計數量為121.9萬個，其中公共充電樁為51.6萬個，私人充電樁為70.3萬個；充電場站建設數量達到3.6萬座。預計2020年新增公共充電場站1.2萬座，公共充電場站保有量達到4.8萬座。如果按照一輛新能源汽車對應一個充電樁的匹配要求，2020年要達到500萬輛的保有量目標，就需要500萬個充電樁。此外，以目前國網充電樁設備的中標價格估算（直流充電樁8萬元/套，交流充電樁約為0.8萬元/套），2020年我國充電樁設備市場空間大約為1120億元，市場增長空間依然很大。
大數據中心作為“新基建”七大領域之一，為經濟高質量發展提供堅實的“數字底座”。隨著5G商用加快，工業互聯網、產業互聯網海量數據將被挖掘，數據資源云化推動IDC（互聯網數據中心）產業升級。2020年，IDC市場規模有望突破2000億元。
特高壓作為“新基建”七大領域之一，指明了經濟社會發展和產業提質振興的主攻方向，具有產業鏈長、帶動力強、經濟社會效益顯著等優勢。目前，國網公司已明確2020年特高壓建設項目投資規模為1128億元，可帶動社會投資2235億元，整體規模近5000億元。
在以上“新基建”領域中，非晶合金材料的應用前景均非常廣闊。
按下非晶合金需求“快捷鍵”
在“新基建”建設中，5G基站、光伏逆變器、軌道交通變壓器、新能源汽車及充電樁、大數據中心變電站，以及特高壓控制柜等關鍵配套設備或元器件對相關制造材料要求很高。基于技術的考量，結合相關技術人員設計的需要，非晶合金在很多關鍵配套設備上都大有可為。
首先，非晶磁粉材料在5G基站建設中應用前景非常廣闊。5G的高傳輸速度和廣覆蓋特性要求5G關鍵電感器具備容量范圍大、體積超小、額定電壓高、高頻特性好等特性；5G基站功率放大器需要實現更大的輸出功率和更高的工作頻率；在介質濾波器和表面聲波濾波器方面，隨著頻率的提升和精度要求的提高，相關配套5G基站的器件設計將轉向新型器件。此外，5G基站建設還增加了被動元件的需求，而由非晶材料制作的這些電感器、功率放大器、介質濾波器等可以很好地滿足5G基站建設要求。
二是光伏行業快速發展需要使用非晶材料制造的器件。現階段，光伏逆變器的轉換效率最高達到97%~99%；MPPT控制器（最大功率點跟蹤太陽能控制器）效率最高達到98%~99.9%；單機最大功率大概為2.5兆瓦；電路拓撲結構目前主要是以2電平為主，少量為3電平；冷卻方式以風冷為主，少量為自冷、液冷；功率器件以IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）為主，MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）為輔；目前電壓等級在1000伏以內。
但隨著電力電子技術的發展，開關頻率會逐步提高，3電平會將會替代傳統的2電平，而這需要使用非晶磁芯來實現。由此可見，非晶磁芯應用在大功率光伏逆變器的優越性將能得到充分體現。
三是非晶干式變壓器在城際軌道交通領域有應用市場。非晶變壓器通過掛網實測，能大大降低供電系統的自損耗，同時有著明顯的節能優勢，噪聲滿足規范要求，不影響推廣應用，尺寸和重量不影響建筑規模及安裝，壽命比硅鋼變壓器更長，綜合經濟效益非常可觀。
這里借鑒城市軌道交通的應用。根據城市軌道交通牽引負荷的特點，非晶變壓器作為整流變壓器應用于城市軌道交通，節能前景較為廣闊，且有城市已經率先應用。比如，2019年上海地鐵1號線~17號線設計使用了“35KV干式非晶合金牽引整流變壓器”，該變壓器可持續使用30年~40年，且比原變壓器節能70%。非晶干式變壓器在北京地鐵8號線、燕房線實際工程中也完成了示范應用。此外，廣州、南京、成都等城市的軌道交通建設也把非晶變壓器作為首選。
四是新能源汽車和充電樁將依賴非晶合金材料制造的器件。目前，新能源汽車單車粉芯模壓電感器用量平均已經超過1000只，高端汽車的用量則達到10000只/輛，且仍在繼續增長。
非晶和納米晶材料由于其特殊的結構和優異的綜合軟磁性能，特別適用于制造各類中高頻變壓器、高性能電感器和濾波器、高精度電磁測量和傳感器、高性能電磁屏蔽和吸波材料等。電動汽車的電驅動系統、電控系統、充電系統，以及充電樁需要使用到磁性器件，目前來看，非晶和納米晶合金是最為理想的軟磁材料。特斯拉Modle 3單車對非晶等模壓電感器用量約為9200只，Modle S和Modle X車型單車所用非晶等模壓電感器均在10000只以上。
同時，充電站建設也需要使用非晶合金材料。充電站位于商業中心、行政中心、居民中心等人員密集地方，這就對所用變壓器提出了新的要求，即要求所用非晶干式變壓器更環保、更安全、更可靠和體積緊湊。非晶立體卷鐵心敞開式干式變壓器具有低損耗、低噪聲、防火防爆、過負荷能力強、體積小、諧波濾除效果好等特點，相比傳統干式變壓器更適合新能源汽車充電站的使用要求，具有廣闊的發展前景。
最后，非晶合金變壓器在大數據中心的建設中也有應用。大數據中心能夠為經濟高質量發展提供堅實的“數字底座”，高等級綠色、節能環保的新一代數據中心是這個時代的呼喚。數據顯示，機房電費占IDC總成本的一半。非晶合金變壓器相較普通干式變壓器的相關技術參數，空載損耗可下降65%~70%。目前，多家企業已經開始使用非晶合金變壓器來替代原干式變壓器，如百度在山西陽泉建立的數據中心、京東的第一個自建數據中心均采用了非晶合金變壓器。
為非晶合金產業接上“助推器”
我國非晶合金產業起步晚，但發展迅速，現已成為全球最大的產業基地。據中國電器工業協會非晶合金材料應用分會大數據中心統計，截至2019年底，我國配電用寬帶企業有11家，設計產能為35萬噸；納米晶企業有240家，設計產能為4.6萬噸；非晶粉末企業有6家；塊體非晶企業有11家；其他母合金等配套企業有23家，基本上實現了非晶合金產業的全覆蓋。
這些企業的發展水平不僅在國內得到肯定，如特變電工、置信電氣、海鴻電氣、中天伯樂達等非晶變壓器質量得到國網肯定，而且有多家企業的產品已處于國際領先水平，如青島云路的非晶寬帶、非晶粉末產量全球領先，非晶寬帶M帶材、納米晶超薄帶關鍵技術和指標達到發達國家技術水平；寧波畢普拉斯納米晶作為無線充電關鍵材料，為全球多家知名企業供貨等。此外，華為、麥捷科技、順絡電子、青島云路、金川電子等非晶粉芯器件已經開始供應到5G基站等“新基建”項目建設中。塊體非晶、非晶涂層、非晶粉末3D打印等也在不斷發展。
此外，我國支撐非晶合金產業發展的科研實力不容小覷。在北京、廣東、江蘇、上海、浙江、山東、河南等地，均設有國家或者省市級別的非晶產業研究院或孵化基地。近年來，國際頂尖期刊不斷發表我國非晶合金科技成果，也顯示出我國在非晶材料領域的話語權。
“新基建”的建設為非晶材料的應用開啟了一個廣闊的空間。要想在“新基建”領域大展宏圖，非晶合金相關制造企業、科研單位既要有敏銳的市場嗅覺，也要有創新乏力的警覺，更需要聯合培育壯大市場的自覺，共同推動非晶合金產業快速發展。
《中國冶金報》（2020年03月26日 03版三版）
