轨道交通、数据中心、新能源：处处商机
基础理论、制备工艺、旧瓶颈：快快突破
本报实习记者 赵萍
“美国宇航员在从月球表层带回来的土壤中发现，30亿年前月球火山爆发时形成的非晶态玻璃球还稳定存在。这表明非晶材料可以稳定存在亿万年。”这是3月25日在由中国电器工业协会非晶合金材料应用分会主办的非晶合金产业发展新态势研讨会上传出的消息，再次展示了非晶材料的强大与神奇。
2020年以来，国内外市场环境发生重大变化，经受住新冠肺炎疫情等带来的一系列挑战，我国非晶合金产业当前进入新发展阶段。基于此，非晶合金产业相关科研单位、产业链上下游企业的专家、代表齐聚一堂，就非晶合金新技术、产业发展新市场新态势等进行分享，展开研讨，共谋非晶合金产业健康有序发展。
析自身 道出发展新机遇
非晶合金是全生命周期的节能材料，在制造、应用、回收等方面具有节能优势。会议报告介绍，在制造节能方面，非晶材料制造流程短，温室气体排放量少，依据《中华人民共和国认证认可行业标准》关于《低碳产品评价方法与要求-三相配电变压器》（RB/T 017-2019)中的碳排放因子数据测算，每生产1吨非晶材料要比硅钢片少排放730千克二氧化碳，同时非晶带材在生产过程中产生三废（废水、废气、固废）物质13种，数量较少。在应用节能方面，以400千伏安油浸式变压器为例，挂网30年后非晶变压器将较硅钢变压器节约总电量37843千瓦时，可减排二氧化碳37.7吨。在回收节能方面，回收的废旧非晶铁芯直接通过中频炉重熔后制成非晶带材，无需添加金属元素硅、硼，可避免主要材料的浪费。
作为节能材料，非晶材料在国家碳中和、碳达峰目标下机遇与挑战并存。“国家‘30·60目标’给非晶合金产业提出了很多新课题和新挑战。”中国电器工业协会副会长郭振岩在致辞中特别指出。与会专家、企业代表也在报告中不约而同地提到了这一话题。“为实现碳达峰、碳中和目标，几乎所有行业面临‘加’（碳中和任务下的新增需求）和‘减’（供给收缩和结构调整）的变化。”北京航空航天大学教授单光存介绍，新材料等便属于有新增需求的行业。他特别指出，达成碳中和目标将促进铁基非晶带材在变压器铁芯和新能源汽车新型电机上的应用。
在国家大力支持的新基建中，非晶合金需求明显，发展前景广阔。青岛云路总工程师杨东介绍，在轨道交通建设上，如按地铁一条线约使用非晶材料250吨、全国每年建设40条～60条线路来测算，年可新增非晶铁芯使用量达1万吨～1.5万吨。在数据中心建设上，未来数据中心用电量占全社会总用电量的比例越来越高，将从2018年的2.2%增长到2025年的4.1%，预计2019年～2025年，数据中心机架数量增加270万台，规模约达到500万台，那么，每年将新增变压器容量约2000万千伏安，则意味着需要8000台2500千伏安的变压器，若全部更换为非晶材料，预计变压器用非晶软磁材料年新增需求量3.2万吨。在新能源发电上，非晶材料同样有着不小的需求量。此外，中国电器工业协会非晶合金材料应用分会秘书长张华在会上透露，在商务部与泰国方面的商务对接中，泰方根据当地实际情况会对非晶材料有相关需求。
非晶合金作为空间材料也有着不可估量的发展潜力。中科院院士、物理所研究员汪卫华在通过远程视频做报告时介绍，太空环境的微重力、超低温、温差大、强辐射、空间碎片/陨石撞击、原子氧腐蚀等特性带来了独特的空间环境挑战，对作为所有空间活动和空间技术基础的空间材料提出了更高要求。他表示，非晶合金在太空环境下具有应用优势，如具有抗辐照能力、耐腐蚀性能好等，在多个应用场景可发挥重要作用。
话不足 明晰发展新路径
与会非晶材料专家、企业代表在研判非晶产业发展新态势的同时，立足当下，直面难题，反思局限，谋划未来，针对当前问题提出了新观点、新思维，针对技术瓶颈提出了新建议、新路径。
从现有制备工艺来看，当前需在充分发挥非晶材料最大优势上下功夫。“残余应力会影响铁基非晶合金涂层抗腐蚀性能。”东北石油大学教授王勇在报告中指出，在进行热喷涂时，涂层厚度、颗粒速率与基体热膨胀系数的差异，形成大量残余应力，引起涂层内部裂纹，降低结合强度，铁基非晶合金涂层因此出现断裂、翘曲、剥离等失效现象。“减小或消除残余应力，可以提高涂层抗腐蚀性能，对非晶涂层失效防护具有重要意义。”他说道。
从长远发展来看，需继续加强非晶材料基础理论研究以突破现有技术瓶颈。针对非晶软磁器件在变压器、电机等大功率器件只显示空载节能优势，未显示高磁导率高效能优势等的技术瓶颈，浙江师范大学教授方永樟指出，究其根本，是受限于低分辨和静态观测等研究手段落后，使双相结构理论研究困难重重，应力敏感机理不明，亟需下大力气突破基础研究技术瓶颈。
同时，为突破非晶合金领域“卡脖子”难题——GFA（非晶形成能力），汪卫华介绍了松山湖材料实验室非晶材料团队的未来规划之一：该团队将从控制非晶形成能力等基本要素特性及内在关联、建立高效探索强GFA合金体系方法、大尺寸非晶合金制造中材料结构与性能演化规律三方面寻求突破，研发性能更优异的新一代非晶材料，探索非晶合金在关键领域的应用。汪卫华的介绍一结束，会场瞬间士气大振，与会专家、企业代表一致称赞。
此外，从国外发展来看，我国非晶合金应用领域还有待大力拓展。中科院院士、南京大学教授都有为在介绍非晶软磁材料时特别指出，自旋芯片是各类MRAM（磁随机储存器）的统称，主要应用于物联网、人工智能等领域，应用非晶软磁材料的自旋芯片具有非易失性、抗辐射性、高集成度、高运算速度、低功耗、长寿命等优点，目前国外已经进入产业化阶段，而国内相对比较落后。由此可见，非晶合金产业尚有广阔发展空间，未来可期。
“非晶合金材料还是小众，产业化应用范围还不大。”会后，张华告诉《中国冶金报》记者，2021年，非晶合金材料应用分会将重点在非晶电机、非晶粉末及涂层标准制定方面进行专题研讨，同时还将邀请行业专家、企业代表等对非晶立体卷变压器设计、设备与制造工艺、非晶合金丝及传感器的应用等热点内容进行研讨和交流，多角度、多领域推动非晶合金产业转型升级。
《中国冶金报》（2021年3月31日 03版三版）
