11月10日,浙江省科技進步獎重磅揭曉,由中科院寧波材料所李潤偉研究員領銜完成的相關非晶合金磁材項目榮獲一等獎。這位深耕磁材應用的科研工作者,致力非晶器件的研究并取得顯著成績。幾年前,他們團隊制備出一款數字化柔性觸覺傳感器,作為智能可穿戴設備,具有高刺激辨別力和分辨率,得到了市場和資本熱捧。
該產品的精度和靈敏度極高,甚至可探測到蚊子心臟的跳動,這種小型化、高靈敏度磁傳感器在醫療、軍工、人工智能、網聯網、地質勘探等眾多領域擁有巨大應用空間。據他們介紹,在傳感器里有一種絲材作為磁敏材料起到關鍵作用,而這種絲材就是非晶態合金材料。
新特性:非晶磁材迎來新市場
非晶態合金又稱液態金屬,或稱金屬玻璃。人類發現這個奇特材料才幾十年時間,但其出眾的性能得到科學家和產業界的廣泛高度重視。
非晶合金是目前已知合金中硬度、強度最高的合金材料,被很多品牌廠商當作理想化的結構件材料使用。比如,多年前蘋果公司就布局了很多專利,iPhone 4嘗試用非晶合金做取卡針。華為折疊屏手機鉸鏈用了非晶合金制備,可折疊20萬次不變形。特斯拉、凱迪拉克等高端汽車鎖扣拉手等也選用這種材料。
當前,非晶合金在軟磁材料領域的應用最為成功。在配電變壓器的使用中,對比硅鋼鐵心,非晶鐵心節省75-80%空載損耗。以一臺容量為400kVA一級能效變壓器為例,全生命周期內非晶變節能達5.2萬kW·h ,作為典型的節能環保材料,現已成為新能源汽車、光伏、風力發電等眾多磁組件優先選擇。
世界很多國家重視這種材料的發展與應用。日前,美國能源部(DOE)提出,2027年美國配電變壓器擬將采用新標準,幾乎所有按照新標準生產的變壓器鐵心都將采用非晶合金。日本、歐盟也有要求,倡導使用非晶變壓器為節能減排做貢獻。去年,我國工信部出臺文件,要求到2025年,新增高效節能變壓器占比達到80%以上,鐵基非晶合金成為最值得期待的材料。
巨磁阻抗(GMI)是指材料的交流阻抗隨外加磁場顯著變化的現象,它是科學界研究的前沿技術,和其他磁傳感器比,其優點除了小型化外,也更靈敏、更精準和更可靠。上世紀九十年代初,科學家發現非晶合金絲材的巨磁阻抗效應十分顯著,隨著非晶合金特殊磁性能的開發與應用,新的藍海市場正不斷被挖掘創造。
中國科學院院士、南京大學教授都有為先生對非晶合金磁材及其傳感器件的未來應用信心十足,他曾在2022年的非晶傳感技術研討會上表示,現代社會為磁信息時代,先進智能化設備離不開磁性能。
新賽道:產業已形成百億規模
非晶絲材及其制備的器件為非晶合金領域帶來了全新“絲”路。
軍事上,非晶絲材及其制備的器件主要在磁探測發揮著重要作用。現代戰爭中,高精度打擊是對武器的基本要求。現代軍隊為更精準打擊目標,已在導彈、火炮、水雷等導航段安裝非晶傳感器。
隨著技術進步,雖然主動和被動聲吶系統失效技術得到升級,但是深海潛艇捕捉依靠聲吶已失去優勢,由于潛艇是鋼制造的,帶有磁性,利用非晶絲傳感器類似GPS定位潛艇軍艦簡單可靠。據了解,軍方磁導航磁探測等應用領域廣、需求大,海外市場規模超過30億元。
在醫療行業,目前最主要的應用市場是在電生理領域。當前,國內射頻消融手術的數量逐年增長,僅中國快速性心律失常患者中使用導管消融治療的手術總量(不包含冷凍消融)就從2015年的11.7萬例增長到2020年的20.2萬例,復合年增長率為11.5%。
預計到2024年,電生理手術量將達到45.0萬例,復合年增長率為22.1%。作為必需耗材,每臺手術要消耗2根以上置有傳感器的導管,能帶動微型磁傳感器使用量大幅增長,預計僅國內就有超2億元的市場規模。
微型磁傳感器因其小體積、抗遮擋的特點,還被廣泛應用于其它醫療及科研領域,比如腫瘤學、組織活檢、抽液、放療過程中跟蹤針尖位置;用于脊柱外科,幫助瞄準髓內釘遠端鎖定孔;用于跟蹤內窺鏡、腹腔鏡的位置和姿態;在腎臟神經介入,支架和引流管放置,副主動脈瘤手術中跟蹤導絲和導管,以及超聲影像融合等方面,具有十分廣闊的應用前景。
據醫療行業的資深人士透露,僅非晶微型磁傳感器在腫瘤穿刺、鼻飼管的需求,2022年國內就有超過3億元的市場規模。有數據顯示,我國磁傳感器市場規模就高達近400億元,弱磁傳感器也有近百億元的產業規模。
新認識:絲材制備尚需沉淀和積累
非晶合金絲制備技術、生產工藝門檻較高。目前,通常有水紡法、泰勒法等方式,其中日本、以色列等少數國家的制備非晶合金絲材技術較為成熟。根據傳感器的用途和方向,對絲材要求也不一樣,海外對高質量敏感非晶合金絲材進行嚴格管控,日本鈷基非晶合金裸絲嚴格限制出口。
早在上世紀九十年代,我國包頭稀土研究院科研工作者開始非晶合金絲研發和制備,并取得較大進展。近年來,在市場需求和技術創新的推動下,非晶合金絲制備生產裝備不斷提升,非晶合金絲制備路徑和方式也不斷取得新的成績。
在國內相關協會和科研單位推動下,國內從事非晶合金絲研發和制備科研單位有18家左右,有近10家企業從事相關生產研發工作,制備非晶合金絲方式有3—4種。中國電器工業協會非晶合金材料應用分會(下稱“非晶分會”)為了促進非晶合金絲產業鏈形成,從2021年、2022年連續舉辦了兩次非晶合金絲材和傳感技術研討會,邀請國內外專家和企業共同交流和研討,對提升豐富我國非晶合金絲材產業發展做出積極貢獻。
近年來,雖然非晶合金絲材質量有了明顯進步,但和發達國家相比,我們還存在著連續性不夠、均勻性不好、性能不穩定、一致性較差等問題。缺少高質量非晶絲材,對于高精度傳感器來說,難以滿足快速形成大批量、高穩定的市場要求。
據悉,為了提高我國在制備和應用開發水平,今年11月底,非晶分會在深圳前海還將舉辦第三屆非晶合金絲材等磁敏材料和傳感技術研討會。屆時邀請院士專家支持鼓勁,讓企業家指出行業痛點堵點,讓科研單位科學家揭榜掛帥,共同把“絲”產業拉長成鏈,推動非晶合金發展新賽道。
此外,任何一個行業的高質量發展都需要高標準牽引。去年,中科院寧波材料所牽頭、非晶分會協同,開展了非晶合金絲國家標準的制定,有21家企業科研單位參與,標準的形成對于企業選手邁進新賽道提供了方向。
作為新材料,非晶態合金一直是科學界研究熱點。中國科學院汪衛華院士將非晶態與液態、氣態、固態并稱為自然界四種物質形態,贊美它們對人類發展和科技進步起到至關重要作用。隨著科學深入研究發現,非晶態合金的新應用市場不斷涌現,人們相信,其在未來生活中必將持續不斷地為現代社會文明助力賦能。
作者:張默涵
轉自：永州新聞網
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