作者：王明旭（山东年夜学低空科学与工程学院副研究员）

曾经经，一种希奇的征象“暗藏”于人们身旁：于开灯或者者接听固定德律风的刹时，一旁正于播放节目的老式电视屏幕会呈现转眼即逝的“雪花”。这重要是由于周围电器通电刹时的年夜电流孕育发生强磁场，导致老电视遭到滋扰。而如今，手机快充头可以让手机于几十分钟内布满电且发烧更少，LED灯光芒柔及且基本看不到闪耀，差别智能家居能不变运行且互不滋扰……从老电视的“雪花屏”到今天智能糊口的种种便当，离不开一名默默无闻的“元勋”——电感器，它犹如现代电子装备的“心脏”，让电流有序流动、装备不变事情。

用纳米技能敲开能源高效转换之门

电感器是一种基在电磁能量转换的磁性元件，重要用在调治电流、滤除了杂波旌旗灯号及掩护电路。从手机、家电、新能源汽车，到光伏逆变并网、海陆空天安防，险些所有的电子装备都离不开它。电感器的焦点构成是导线缭绕磁芯，其事情道理源在电磁感到：当电畅通过绕于磁芯上的线圈时会孕育发生磁场，当电流发生转变时，该磁场便会像减震弹簧同样“抵挡”电流的变化。

磁芯质料凡是轻易被外加磁场磁化孕育发生磁性，撤失磁场后磁性则消散。区分在撤失磁场后磁性不容易消散从而可以或许吸引铁块的硬磁质料（即磁铁），这类易磁化/退磁的质料被称为软磁质料。常见的软磁质料有硅钢、铁镍合金、铁硅铝合金以和锰锌铁氧体等。

当前，第三代半导体碳化硅及氮化镓的财产化，极年夜地鞭策了电子产物朝向高频化、小型化、年夜功率及节能化成长。此中，高频化有助在小型化及节能化。例如，超薄电视、智能手环等寻求的小型化，手机及新能源汽车快充需要的年夜功率，以和可连续成长战略对于电力电子行业提出的节能化……这些都对于磁芯用软磁质料的机能提出了更高要求。

为何要寻求高频化？这是由于电路事情频率越高，磁性元件的能量密度及能量转化效率就越高，不异能量转化需求下其尺寸就能够做患上越小。通例工频电力装备的利用频段通常是50Hz，其长处是布局简朴、成本低且电磁滋扰少；而中高频电力电子装备，如利用频段于20kHz~100kHz的光伏逆变器、50kHz~150kHz的汽车充电桩、10kHz~1MHz的感到加热炉等，具备体积小、能量转换效率高且动态相应快的长处。

咱们可以用“公路汽车行驶状态”来直不雅理解差别频率下的能量转换环境。假如把频率凹凸看做是车速，能量转换效率看做是单元时间能顺遂经由过程某路段的车辆数，那末，相较在低频模式，于高速行驶的高频模式下，单元时间内经由过程既定路段的车辆就会更多，即能量转换效率更高。

然而，犹如永念头不成能存于，磁芯的能量转换效率也不成能跟着频率的增长到达100%。磁芯于能量转换历程中会发烧，这部门散掉的热量是无用能量损耗，重要包括磁滞损耗及涡流损耗。前者可以看做是汽车过弯时的被迫减速，重要来历在磁芯内部磁畴沿着磁场标的目的的动弹阻力；后者则对于应在汽车高速行驶历程中策动机过热造成车速的降落或者闯祸、抛锚等景象，重要来历在磁芯内部由电磁感到天生的涡流。这两种损耗都随频率增长而增年夜，且涡流损耗会逐渐逾越磁滞损耗，并于高频下占主导。

假如把磁芯看做是策动机，那末差别软磁质料做成的“策动机”机能各别。硅钢、铁镍合金、铁硅铝合金等合金软磁质料电阻率低，高频事情下会因涡流损耗较年夜而发烧严峻；同时，温度升高又会降低磁导率等机能，导致磁芯事情效率不升反降，是以只合用在中低频运用。而获得中高频运用的锰锌铁氧体等非金属软磁质料不仅发烧严峻，而且其饱及磁化强度小，易发生饱及掉效，即这类“策动机”虽然撑持高速行驶，但车速过快易致使抛锚。

显而易见，传统软磁质料难以满意电力电子装备高频化、小型化、年夜功率及节能化成长需求。科学家在是将眼光投向微不雅质料世界，经由过程身分设计及工艺调控，开发出高频以致射频下节能高效的纳米晶磁芯，以纳米技能敲开了高效能源转换之门。这类包罗纳米晶软磁质料的磁芯已经被制成高频变压器、滤波电感器、功率电感器等器件，运用在光伏、储能、新能源汽车、超算等范畴。比拟在传统磁芯，纳米晶磁芯可支撑电子装备做患上更小、更静音、越发节能及高效，可谓电力电子装备的“节能心”。

“纳米楼房”+“非晶空隙”打造高效磁芯质料

传统软磁质料及常见的金属都属在晶体，其内部原子按周期性有序摆列。假如把原子看做是砖块，那末一个晶粒就是一座由砖块整洁有序砌成的楼房，金属粉末或者块体就是无数栋楼房构成的住民区，凡是每一座“楼房”标准于微米到厘米级别。

纳米晶软磁质料长短晶/纳米晶软磁质料的简称，它是一种新型的微不雅“住民区”。除了了年夜片由原子整洁有序砌发展宽高于几十到几百纳米的“楼房”（纳米晶粒）以外，还有有极少量由原子杂乱无序堆垛出来的“未发开区”（非晶区）。

这类微不雅世界的精妙设计，使患上纳米晶磁芯揭示出优秀的综合软磁机能。一方面，纳米晶磁芯体现出年夜电流及极宽频率下的高磁导率。这是由于磁化历程本色是每一个晶粒内的磁畴随外磁场标的目的动弹的历程，磁芯内部晶粒越小，磁畴也越小，可以高速相应磁场的变化，从而实现高磁导率；同时，有序的“楼房”及周围无序的“未开发区”协同，两者磁致伸缩系数一正一负互相抵消，能极年夜地改善磁化各向异性，进一步提高磁导率，并有用降低噪音。

另外一方面，纳米晶磁芯高频下损耗很低、发烧少。这是因为纳米晶藐小晶粒以和非晶区的磁畴动弹阻力较小，磁滞损耗低，就像汽车的行驶线路越平直、转向弧度越小，功耗就越小同样；同时，高密度的纳米晶晶界及纳米晶/非晶相界，使患上纳米晶磁芯的电阻率远高在其他传统磁芯，极年夜降低了高频下主导的涡流损耗。正因云云，于高频工况下,纳米晶磁芯揭示出传统磁芯及非晶磁芯不成相比的上风。

精准调控“纳米楼房”尺寸与数目

与传统软磁质料制备方式差别，纳米晶软磁质料很难一步实现“住民区”的设置装备摆设，凡是需要经由过程熔体快速冷却成彻底的非晶，再经由过程晶化退火的方式对于微不雅布局举行切确调控。

纳米晶磁芯的制备可分为两种，一是采用“旋淬制带+卷绕成芯+退火”方式制备成磁导率及损耗较高的条带卷绕磁芯，二是采用“雾化制粉+绝缘包覆+压抑成型+退火”工艺制备成外形不限且磁导率及损耗更低的粉末冶金磁芯。此中，前者是将铁基合金熔液以每一秒百万摄氏度的速率冷却，再将制患上的非晶带材卷绕成非晶磁芯；后者是经由过程雾化技能，用高压气体将熔液击碎成藐小液滴，并快速冷却成彻底非晶粉末，将非晶粉末举行绝缘包覆，压抑成非晶磁芯。两者都于后续的退火历程中，经由过程升温加速原子运动，使患上非晶磁芯中杂乱的原子从头摆列，堆砌成整洁有序的纳米标准“楼房”。经由过程调解差别种类的原子配比及温升参数，便可调控“楼房”的尺寸与数目，从而按需制备纳米晶磁芯。

纳米晶磁芯不仅是一种质料的改造，更是人类驾御微不雅世界、实现能源高效使用的聪明结晶。相干调研陈诉显示，全世界纳米晶磁芯的市场范围出现连续增加态势，2023年全世界市场发卖额已经跨越30亿元，2030年有望到达69亿元。当咱们用手机享受5G冲浪或者驾驶电动汽车驰骋时，甚至不久的未来自驾飞行汽车游览时，没关系想象那些藏于装备深处平静事情的纳米晶磁芯，它们正以精妙的原子之姿，化作节能之“心”，发出清洁能源时代节能高效的律动。

《光亮日报》（2026年02月26日 16版）