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电子设备小型化与节能的关键是它 中国完成了从零到领先的转变
发布时间: 2021-03-17 14:15 | 【 【打印】【关闭】

 

  软磁材料很神奇,缔造了一系列从前难以想象的变化。

  1946年,世界上第一台电子计算机ENIAC诞生,长30.48米,宽1米,占地面积170平方米。而不过20年后,第三代电子计算机开始发展,体积缩小千倍以上。

  这种像“魔法”一样的变化,除了与集成电路的现世有关,还与电源技术密不可分。因为要为电子设备“瘦身”,首先得让电源变压器小型化,高频开关电源随之出现在公众视野。这种电源的变压器、电感器、扼流圈等,均使用了软磁铁氧体磁心材料

  上世纪80年代以前,能与国外先进产品竞争的国产软磁铁氧体材料及磁心几乎为零。但在一代人的努力下,我国的软磁铁氧体磁心最终实现了零的突破。其中有一位专家,对标业内国际巨头,成功开发出国内第一代至第三代功率铁氧体,推动了软磁铁氧体材料的换代升级,促进了国内电源应用的发展。他甚至主导和参与了软磁铁氧体磁心的部分国际标准的制定,让中国在这一材料领域的话语权日益强硬。

  他便是南京新康达磁业股份有限公司总经理赵光。

  在光伏、5G、新能源汽车等新兴产业快速发展的今天,对软磁铁氧体材料提出了更高应用频率、更低功耗的要求,乐于挑战的赵光看见了更宽广的施展空间。

  01 

  关键材料国产化,万元彩电跌落神坛 

  上世纪80年代初,赵光的父母托一位回大陆的香港朋友购买了一台日本松下原装18吋彩电,花了近万元人民币。

  在那个年代,花近万元买一台彩电是件奢侈的事情。而当时的彩电之所以价格昂贵,在于关键材料和彩电整机未能实现大规模国产化,极为依赖进口。

  据统计,上世纪七十年代初期,国内仅有天津、北京等地几个厂家试制出为数不多的彩电整机;1978年,我国彩电年产量不到4000台;到了1989年,全国彩电拥有数量约3600万台,普及率仍不到20%。

  人民生活物质需求在日益增长,彩电成为普通家庭梦寐以求的大家电。为了满足这一需求,早在1982年,我国便提出彩电国产化的目标,力争自主制造彩电内部的所有零件和整机。

  位于江苏南京的国营第898厂作为国家电子工业部四大部署磁性材料的企业之一,接到的任务是开发生产彩电行输出变压器磁心(U型磁心)和开关电源磁心(E型磁心)。

  

   行输出变压器是彩电中的核心器件之一,用于提供显像管所需的上万伏高压和其它各种电压及行同步信号;而开关电源则是彩电运行的能量来源。

  实际上,国内的软磁铁氧体材料在上世纪五十年代就已经起步,但生产装备、工艺技术和产品性能质量,相对国外先进水平而言十分落后,无法满足制造彩电的需求。于是电子工业部组织四大部署企业从德国、瑞士、日本等发达国家引进先进的设备和技术。

  此时,刚毕业的赵光加入国营第898厂,参与了技术引进的过程。“当时国内落后的磁性材料行业,第一次得到了向国外先进水平看齐的机遇。”赵光对《大国之材》说。

  这次的设备和技术引进,为国内的软磁铁氧体产业夯实了基础。当时,不少乡镇企业感到软磁铁氧体材料前景良好,纷纷投资建厂。有一些实力较强的乡镇企业,如江苏王庄、港下等地的磁性材料厂,凭借较好的资金底子,也仿效898厂跑到国外采购设备。

  引进西方先进的设备和技术后,国内开始仿造压机、窑炉、磨床等软磁铁氧体生产专用设备,整个行业开始步入发展的春天。软磁铁氧体材料的国产化之路就这样轰轰烈烈地搞了起来。

  在此之前,一付彩电所用的行输出U型磁心,进口价格为15元。随着国产化的推进,产能、交货期等获得大幅度改善,生产成本下降,售价也因此一路下跌到2元左右。

  紧随其后,彩电的价格也大幅下降,得以走进更多百姓家庭。

  但实现彩电国产化并非磁性材料行业发展的最终目的,服务于更多的领域,才是磁性材料发展的价值所在

  技术引进后,国内软磁铁氧体生产水平是有了大幅度的提升,但与国际先进水平仍有不小差距。当时,彩电的行扫描频率仅为16kHz,这意味着引进技术所制造出的软磁铁氧体材料只能在十多kHz这样较低的频率下工作,无法胜任更高频的工作场景。

  而随着电力电子技术的发展,电子设备的工作频率越来越高,从线型电源的50Hz工频到早期开关电源的20kHz低频,再到数百kHz的高频,甚至达到数兆Hz。

  软磁铁氧体材料有一个关键指标是功率损耗,在工作频率上升后,材料的功耗会随频率的1.3~2次方呈指数型增加,功耗上升引起元器件发热,不仅消耗了宝贵的电能,而且会导致故障。

  为了打破这一“魔咒”,行业不得不将软磁铁氧体材料换代升级。

  或许赵光不曾想过,自己会成为推进这一材料改进的主导者。 

  02 

  对标国际巨头,进一步为电子设备“瘦身” 

  上世纪八、九十年代,正值中国电子信息产业快速发展、传统工业改造及节约能源理念逐渐被重视的阶段。

  相关数据显示,“九五”期间,中国电子工业同比上一个五年增长了近12倍。传统工业系统也进入了更新换代期,大量先进的电子技术和设备被采用,对供电质量提出高要求。电子设备小型化、智能化、高效率、高可靠、节能的呼声也日益强烈。

  这些都考验着电源产业的迭代能力,倒逼着磁性材料技术的发展。 

  传统线型电源采用的磁性材料是硅钢片,制造出的工频变压器又大又笨重,行业意识到,只有采用开关式电源,才能实现小型化。但开关式电源的常见工作频率在100kHz左右,而国内当时制造出的软磁铁氧体材料仅支持16kHz的工作场景,差距十分明显。

  开发出新一代功率铁氧体材料才是出路! 

  当时已在国营第898厂研究所工作的赵光接过了这项任务,但国内并没有相关的案例可借鉴,于是赵光把目光投向了日本产业界。

  彼时的日本电子产业正值繁荣时期,电脑、打印机、通讯设备、照明等均采用新型功率铁氧体材料,纷纷实现了小型化与节能。而最具代表性的新型功率铁氧体材料来自于日本TDK公司,其产品当时在国际市场的占有率列居首位。

  TDK公司先后研发出PC30、PC40、PC50三代功率铁氧体材料,每推出一代,可应用的频率就越高。这三代功率铁氧体材料被国际磁性材料行业视为标杆,赵光也以此为标杆,展开了对标TDK的国内第一代功率铁氧体的研发工作。

  赵光回忆道,当时的研发条件相当简陋,缺乏先进的分析测量仪器和实验设备,做实验只能采用很原始的方法。

  赵光采用手工的方式,用球磨罐一罐一罐地混合和粉粹材料,在手动真空烧结炉内,一炉一炉地试烧磁心;没有电脑存储和处理海量的试验数据,赵光就用纸、笔记录、用计算器计算,很快就用掉了厚厚的几大记录本;缺乏最新的参考文献,他就设法通过在国外大学工作的同学代为寻找资料。

  经过两年艰辛的付出,赵光团队终于完成了对标日本TDK公司PC30材料的国产功率铁氧体材料的开发。1988年,我国第一代功率铁氧体材料完成了技术鉴定,1989年获得电子工业部科技进步三等奖。

  在接下来近十年时间里,赵光又带领团队完成了对标TDK公司PC40和PC50材料的国产第二代、第三代功率铁氧体的开发工作,分别获得机械电子工业部科技进步二等奖和三等奖,还荣获国家科技委颁发的国家科技成果完成者证书。

  

   三代材料的成功研发和量产,使得国产功率铁氧体技术水平大幅提升。尽管比日本的三代材料推出时间迟了数年,但这从无到有的突破实属壮举。随着成果的推广应用,带动了软磁铁氧体行业技术和市场的发展,赵光深感意义重大,“这促进了国内电源应用的发展。”

  03 

  0到主导国际标准制定 

  如今,国内中高端软磁铁氧体材料的生产技术水平已大幅提高,与国外同行的差距越来越小,但站在“金字塔”顶端的仍然是国际品牌。

  赵光分析道,国内外软磁铁氧体材料的差距主要体现在三个方面:一是材料的关键性能,如功率损耗、饱和磁通密度、高频、宽温特性等的差距;二是国内在高端元器件的制造技术方面有所不足,如高端一体化成型电感80%仍依赖进口;三是国内产品的质量一致性和稳定性与国外差距还较为明显。

  要缩小差距,软磁铁氧体制造业应进行全面提升。

  赵光认为,首先必须通过创新形成核心技术,如材料技术、大生产工艺技术、装备技术和分析测量技术。其次,对于企业而言,扎实打基础也是关键,“企业应该静下心打基础,培养工匠型人才,扎实做好应用、市场和顾客研究。”

  中国科学院院士都有为曾指出,一个国家现代化的程度、人民生活水平,可以用磁性材料的使用量来衡量。作为都有为院士的学生,赵光对此深表赞同。

  眼下,5G通信、光伏新能源、新能源汽车及充电设施等产业发展火热,为软磁铁氧体行业提供了良好的发展机遇。

  以新能源汽车为例,需用到软磁铁氧体材料的地方就有车载充电机、电驱和辅助系统供电用DC-DC变换器、车灯照明系统、无钥匙进入系统、EPS、安全气囊、音响、导航、车联网、无人驾驶传感器等,需求十分强劲。

  据统计,传统汽车的软磁铁氧体用量为0.3kg左右,新能源车的用量则达到2kg左右。另外,配套一个充电桩的软磁铁氧体用量约为2~3kg。按照新能源车每年生产150万辆,以及充电桩100万个计算,国内新能源车产业对于软磁铁氧体年需求量达5、6千吨。

  有了需求,企业还得有能力抓住机会。“企业应该洞悉不同的应用端对于磁性材料的特定要求。”早在2000年,TDK公司就针对汽车应用推出著名的宽温低功耗锰锌铁氧体材料PC95,成为国内外软磁铁氧体厂商争相模仿的产品。

  由于汽车的驾驶环境复杂多变,某些部位的电子元器件可能经历从零下数十摄氏度到100多摄氏度的宽泛温区,这对材料的温度特性提出了严格考验,而既往的软磁铁氧体材料的局限在于只能在狭窄的温区保持低功耗的特性。TDK洞悉这一痛点,适时推出了PC95,可在很宽的温区下始终保持低功耗性能。

  赵光如今所在的新康达公司,也在紧紧抓住新能源车发展的机遇,在PC95的基础上推出了新一代宽温低功耗材料,在改善宽温下可靠性的同时,还能提高能量转换效率。

  距离爬上金字塔顶端,国内软磁铁氧体企业任重道远,但步子却愈发稳健。

 

   眼下,赵光还担任了全国磁性元件与铁氧体材料标准化技术委员会(SAC/TC 89)副主任委员,也是国际电工委员会第51技术委员会(IEC/TC 51)的注册专家,正忙着制修订有关软磁材料的国际、国内标准。

  “早前国内的软磁材料标准化工作,都是关起门自己做,国际上几乎没有中国的声音。”2015年,随着我国主导的有关两项铁氧体磁心IEC国际标准正式发布,实现了零的突破,中国的话语权开始飞速提升。2020年,由赵光牵头制定的关于铁氧体磁心和金属磁粉心的两项国际标准,又被IEC正式发布。

  “三流企业做产品、二流企业做品牌、一流企业做标准。”从一无所有到主导国际标准的制定,这是个了不起的变化,赵光如是感慨道。

  【个人简介】 

  赵光,毕业于南京大学物理系磁学专业,研究员级高级工程师,曾任国营第八九八厂总工程师,现任南京新康达磁业股份有限公司总经理。长期从事软磁材料研究开发、制造工程、企业管理和标准化工作,曾获部级科技进步二等奖一项、三等奖二项、国家级新产品认定一项、省、市级科技成果奖七项、IEC 1906大奖,享受国务院颁发的政府特殊津贴;现任IEC注册专家、全国磁性元件及铁氧体材料标准化技术委员会副主任、电源学会磁技术专业委员会副主任委员、中国电子学会高级会员及应用磁学分会委员、《磁性材料及器件》及《磁性元件与电源》杂志编委;曾主持制定三项IEC国际标准及五项国家及行业标准;多项专利发明人;在国内外各种期刊、会议发表论文四十余篇。

  【企业简介】 

  南京新康达磁业股份有限公司成立于1999年,是一家高性能软磁材料制造企业,在江苏省南京市江宁区麒麟工业集中区和安徽省马鞍山市雨山经济开发区建有生产基地。公司被认定为国家级高新技术企业和江苏省民营科技企业,设有江苏省企业院士工作站和南京市企业技术中心,是软磁材料领域IEC国际标准和我国国家和行业标准的起草单位,“新康达”牌商标被南京市认定为著名商标,先后通过了ISO 9001、ISO 14001、ISO 45001、IATF 16949和GJB 9001C等质量、环境、职业健康和安全管理体系认证。

  新康达主要产品为软磁铁氧体粉料及磁心、软磁合金粉料及金属磁粉心。产品用于制造各种变压器、电感器、电抗器、扼流圈和滤波器等,主要应用于光伏、5G通讯、汽车、云计算、电磁兼容、节能照明、工业和医疗设备、军工等领域。公司产品侧重于工业应用领域,拥有以华为为代表的国内外高端客户群。

  公司秉承“不求最大,但求最好”的发展理念,把握战略性新兴产业发展给软磁行业带来的机遇,加强技术创新,推进精益生产和智能制造,努力向客户提供最好的产品和服务,以实现互利双赢、共同发展。

  文章来源:新材料在线、新材料

  文章链接:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=585209

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