軌道交通、數據中心、新能源：處處商機
基礎理論、制備工藝、舊瓶頸：快快突破
本報實習記者 趙萍
“美國宇航員在從月球表層帶回來的土壤中發現，30億年前月球火山爆發時形成的非晶態玻璃球還穩定存在。這表明非晶材料可以穩定存在億萬年。”這是3月25日在由中國電器工業協會非晶合金材料應用分會主辦的非晶合金產業發展新態勢研討會上傳出的消息，再次展示了非晶材料的強大與神奇。
2020年以來，國內外市場環境發生重大變化，經受住新冠肺炎疫情等帶來的一系列挑戰，我國非晶合金產業當前進入新發展階段。基于此，非晶合金產業相關科研單位、產業鏈上下游企業的專家、代表齊聚一堂，就非晶合金新技術、產業發展新市場新態勢等進行分享，展開研討，共謀非晶合金產業健康有序發展。
析自身 道出發展新機遇
非晶合金是全生命周期的節能材料，在制造、應用、回收等方面具有節能優勢。會議報告介紹，在制造節能方面，非晶材料制造流程短，溫室氣體排放量少，依據《中華人民共和國認證認可行業標準》關于《低碳產品評價方法與要求-三相配電變壓器》（RB/T 017-2019)中的碳排放因子數據測算，每生產1噸非晶材料要比硅鋼片少排放730千克二氧化碳，同時非晶帶材在生產過程中產生三廢（廢水、廢氣、固廢）物質13種，數量較少。在應用節能方面，以400千伏安油浸式變壓器為例，掛網30年后非晶變壓器將較硅鋼變壓器節約總電量37843千瓦時，可減排二氧化碳37.7噸。在回收節能方面，回收的廢舊非晶鐵芯直接通過中頻爐重熔后制成非晶帶材，無需添加金屬元素硅、硼，可避免主要材料的浪費。
作為節能材料，非晶材料在國家碳中和、碳達峰目標下機遇與挑戰并存。“國家‘30·60目標’給非晶合金產業提出了很多新課題和新挑戰。”中國電器工業協會副會長郭振巖在致辭中特別指出。與會專家、企業代表也在報告中不約而同地提到了這一話題。“為實現碳達峰、碳中和目標，幾乎所有行業面臨‘加’（碳中和任務下的新增需求）和‘減’（供給收縮和結構調整）的變化。”北京航空航天大學教授單光存介紹，新材料等便屬于有新增需求的行業。他特別指出，達成碳中和目標將促進鐵基非晶帶材在變壓器鐵芯和新能源汽車新型電機上的應用。
在國家大力支持的新基建中，非晶合金需求明顯，發展前景廣闊。青島云路總工程師楊東介紹，在軌道交通建設上，如按地鐵一條線約使用非晶材料250噸、全國每年建設40條～60條線路來測算，年可新增非晶鐵芯使用量達1萬噸～1.5萬噸。在數據中心建設上，未來數據中心用電量占全社會總用電量的比例越來越高，將從2018年的2.2%增長到2025年的4.1%，預計2019年～2025年，數據中心機架數量增加270萬臺，規模約達到500萬臺，那么，每年將新增變壓器容量約2000萬千伏安，則意味著需要8000臺2500千伏安的變壓器，若全部更換為非晶材料，預計變壓器用非晶軟磁材料年新增需求量3.2萬噸。在新能源發電上，非晶材料同樣有著不小的需求量。此外，中國電器工業協會非晶合金材料應用分會秘書長張華在會上透露，在商務部與泰國方面的商務對接中，泰方根據當地實際情況會對非晶材料有相關需求。
非晶合金作為空間材料也有著不可估量的發展潛力。中科院院士、物理所研究員汪衛華在通過遠程視頻做報告時介紹，太空環境的微重力、超低溫、溫差大、強輻射、空間碎片/隕石撞擊、原子氧腐蝕等特性帶來了獨特的空間環境挑戰，對作為所有空間活動和空間技術基礎的空間材料提出了更高要求。他表示，非晶合金在太空環境下具有應用優勢，如具有抗輻照能力、耐腐蝕性能好等，在多個應用場景可發揮重要作用。
話不足 明晰發展新路徑
與會非晶材料專家、企業代表在研判非晶產業發展新態勢的同時，立足當下，直面難題，反思局限，謀劃未來，針對當前問題提出了新觀點、新思維，針對技術瓶頸提出了新建議、新路徑。
從現有制備工藝來看，當前需在充分發揮非晶材料最大優勢上下功夫。“殘余應力會影響鐵基非晶合金涂層抗腐蝕性能。”東北石油大學教授王勇在報告中指出，在進行熱噴涂時，涂層厚度、顆粒速率與基體熱膨脹系數的差異，形成大量殘余應力，引起涂層內部裂紋，降低結合強度，鐵基非晶合金涂層因此出現斷裂、翹曲、剝離等失效現象。“減小或消除殘余應力，可以提高涂層抗腐蝕性能，對非晶涂層失效防護具有重要意義。”他說道。
從長遠發展來看，需繼續加強非晶材料基礎理論研究以突破現有技術瓶頸。針對非晶軟磁器件在變壓器、電機等大功率器件只顯示空載節能優勢，未顯示高磁導率高效能優勢等的技術瓶頸，浙江師范大學教授方永樟指出，究其根本，是受限于低分辨和靜態觀測等研究手段落后，使雙相結構理論研究困難重重，應力敏感機理不明，亟需下大力氣突破基礎研究技術瓶頸。
同時，為突破非晶合金領域“卡脖子”難題——GFA（非晶形成能力），汪衛華介紹了松山湖材料實驗室非晶材料團隊的未來規劃之一：該團隊將從控制非晶形成能力等基本要素特性及內在關聯、建立高效探索強GFA合金體系方法、大尺寸非晶合金制造中材料結構與性能演化規律三方面尋求突破，研發性能更優異的新一代非晶材料，探索非晶合金在關鍵領域的應用。汪衛華的介紹一結束，會場瞬間士氣大振，與會專家、企業代表一致稱贊。
此外，從國外發展來看，我國非晶合金應用領域還有待大力拓展。中科院院士、南京大學教授都有為在介紹非晶軟磁材料時特別指出，自旋芯片是各類MRAM（磁隨機儲存器）的統稱，主要應用于物聯網、人工智能等領域，應用非晶軟磁材料的自旋芯片具有非易失性、抗輻射性、高集成度、高運算速度、低功耗、長壽命等優點，目前國外已經進入產業化階段，而國內相對比較落后。由此可見，非晶合金產業尚有廣闊發展空間，未來可期。
“非晶合金材料還是小眾，產業化應用范圍還不大。”會后，張華告訴《中國冶金報》記者，2021年，非晶合金材料應用分會將重點在非晶電機、非晶粉末及涂層標準制定方面進行專題研討，同時還將邀請行業專家、企業代表等對非晶立體卷變壓器設計、設備與制造工藝、非晶合金絲及傳感器的應用等熱點內容進行研討和交流，多角度、多領域推動非晶合金產業轉型升級。
《中國冶金報》（2021年3月31日 03版三版）
