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米乐 M6米乐非晶及纳米晶–崛起中的高端制造核心材料【32页】
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米乐 M6米乐非晶及纳米晶–崛起中的高端制造核心材料【32页】发布日期:2023-08-30 浏览次数:

  非晶合金,也称金属玻璃、液态金属(由美国Liquidmetal Technology 翻译而来),是由合金材料熔体超急冷凝固(通常大于100K/s),凝固时原子来不及有序排列结晶,得到的固态合金是长程无序结构,组成它物质的分子(或原子、离子)不呈空间有规则周期性,没有晶态合金的晶粒、晶界存在。这种非晶合金具有许多独特的性能,由于它的性能优异,从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。

  通常情况下,熔液在低于Tm(结晶聚合物熔点)温度时开始结晶,最终形成固态晶体结构。但非晶材料是由熔液态在Tg-Tm(过冷液相区)温度间进行超急冷凝固,从而快速跳过结晶过程,在低于Tg(晶化温度,玻璃态向高弹态开始转变的温度)温度时形成相对稳定的非晶体结构。Tg-Tx 温度为非晶结构的过冷液相区:当非晶合金重新加热达到Tg 时(晶化温度),会呈现超高塑性变形行为,延展性最高可达150倍,便于非晶合金进行加工处理;而当温度达到Tx(脆化温度)时非晶合金会开始晶化,失去非晶态的力学特性。因此Tg-Tx 区间越大,Tg 晶化温度越低,非晶合金的加工难度越低,但同时非晶合金的稳定性也随之降低。

  块体非晶合金具有的强度是其对应晶体的2-3倍,有着较高弹性应变极限、较低的弹性模量,在过冷液相区会出现超高塑性变形行为,其力学行为(如变形和断裂等)明显不同于晶态合金材料,部分种类如Fe 铁基非晶还具有优异的磁性能。等原子比多组元合金在具有高混合熵的情况下可以形成简单的固溶体,具有高强度、高塑性的特点,该类合金目前称为高熵合金。

  非晶合金种类繁多,从组成材料来看,可分为Pd 基(钯基)、Mg 基(镁基)、稀土基、Ti 基(钛基)、Fe 基(铁基)、Cu 基(铜基)、Ni 基(镍基)、Zr 基(锆基)、Al 基(铝基)等多种非晶合金体系。从形态来看,非晶合金可以分为块状非晶(厚度1mm)、非晶板带材、非晶丝、非晶粉末、非晶镀层等。再详细划分来看,仅从力学性能看,块状非晶又包含至少三种不同类型:

  1.室温脆性的但弹性应变极限很大(2%)的块体非晶合金,如ZrTiCuNiBe(锆钛铜镍铍合金)

  2.室温有塑性但是无加工硬化的块体非晶合金,如PtCuNiP(铂铜镍磷合金)

  由于非晶合金的制备需要超急冷凝固,技术难度较高,设备成本较高,且若尺寸较大内部难以实现非晶化,因此非晶合金的制造存在尺寸限制(最大临界尺寸)。大多数种类的非晶合金最大临界尺寸均在10mm 以内,1997年发明的Pd 基合金达到72mm,但与其他合金相比仍有较大差距,一定程度上限制了非晶材料的应用。同时,由于非晶合金的制备本质上是熵增的过程,热力学不稳定,受热有晶化倾向,因此使用条件也较为严格,大多不适用于高温环境。同时,非晶合金硬度高、脆性高,也导致加工难度较其他材料更大。

  纳米晶合金是在非晶态的基础上,通过特殊的热处理,让它形成晶核并长大,但控制晶粒大小在纳米级别(100纳米以内),不形成完全的晶体,这时形成的结构就是纳米晶,实际上是非晶和纳米晶的混合结构。目前用作软磁材料的纳米晶主要是Fe、Ni、Si、B、P 等组成的合金。

  与对应的非晶材料相比,纳米晶合金表现出更佳的强度、硬度,更良好的韧性,更小的弹性模量和延展性,更好的扩散性,更高的比热,更大的热膨胀系数,更优良的软磁性特点。但由于纳米晶合金是在非晶合金的基础上加工而成,其保留了非晶合制造成本较高、难以制造大尺寸合金、加工难度高的缺点。

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  随着电子产品正在向高频、节能、小型、集成化方向发展,应用频率也在不断提高,带材一代代更新。从最初的传统制带工艺(国内现有生产水平)厚度22-30μm,到现在带材发展到三代、四代,用先进制带工艺(国际先进生产水平)可做到14-22μm。而且掌握了更薄的制带技术。纳米晶带材的发展趋势就是超薄带。

  1934年非晶合金材料问世,近百年来全球对非晶合金的研究取得了非常显著的进展。目前已形成的非晶合金包括Fe 基(铁基)、Zr 基(锆基)、Mg 基(镁基)等成百上千种合金材料,冷却速率要求由最初的106K/s 降低至部分材料的1K/s,形成材料的尺寸也由最初的薄薄的nm 级非晶膜发展到如今10mm 级乃至100mm 级的块状非晶,性能上也呈现出不同分化。

  1980年代美国非晶合金开始大规模产业化,主要集中在变压器领域的非晶带材。2000年前后日本非晶行业也开始产业化,主要代表企业为日本日立金属。与此同时,Liquidmetal Technology 作为小型块状非晶合金的生产商也实现上市。

  1970s 我国开始对非晶合金材料进行了研究,虽然起步较晚,但其发展迅速。“七五”期间建成了百吨级的非晶合金带材生产线mm;“八五”期间实现了非晶合金带材在线自动卷取技术,并实现了年产量20万条的非晶带材生产线;“九五”期间建成了国家非晶超微晶工程技术研究中心。目前我国万吨级带材生产线投产,拥有配电用非晶宽带企业11家,设计产能35万吨;纳米晶企业240家,设计产能4.6万吨;非晶粉末企业6家,块体非晶企业11家。

  自2010年全球顶尖块状非晶合金公司美国Liquidmetal Technology 与苹果签署合作以来,非晶合金在3C 产品领域的应用不断拓展。Iphone4/4s 的SIM 卡针最初即采用非晶合金材料制作,OPPO、华为等品牌的部分智能手机的SIM 卡针、卡槽以及转轴方面也应用了非晶合金。2015年图灵机器人工业发布的图灵手机采用锆基非晶合金外框,强度比不锈钢和钛更高,能够保护手机免受强力冲击和屏幕破损。目前,华为、小米、OPPO 等国内主要手机厂商Face-ID 支架均已开始采用非晶合金材料,非晶合金在手机端的应用再度延伸。

  2017年华为整合国内非晶合金生厂商,正式将非晶合金材质应用于手机部分硬件中。2020年2月其推出的第二代升级版折叠屏手机MateXs 铰链选用锆基非晶合金,2020年9月柔宇推出的FlexPai 2折叠屏手机也部分采用了非晶合金材质,与苹果手机采用的钛合金材料相比强度更高更耐用,能够更有效地防止屏幕的过度机械伤害。

  铰链是折叠屏手机相对于传统智能机的最大创新,功能类似于笔记本电脑转轴,是折叠屏手机核心部件,包含一百多个细小组件,价值高达数百元。为了实现手机折叠屏紧密贴合以及平面展开等操作,铰链需要保证精密限位、多次开合(至少10万次)、阻尼保护等功能,同时还必须兼具重量轻、尺寸小、性能稳定的特性,因此折叠屏铰链的制造工艺非常复杂,是折叠屏手机的核心技术之一。传统CNC 以及冲压技术已很难满足铰链的精度和轻薄度的要求,金属注射成型(MIM 工艺)以及液态金属(非晶)工艺成为实现铰链高性能的关键工艺技术。

  折叠屏手机从折叠形态来看大致有两种划分方式:横向、竖向折叠以及内折、外折。横向折叠主要代表产品包括华为Mate X、Mate Xs 等,旨在将手机与平板的功能合为一体,折叠状态下是手机,展开之后成为平板;竖向折叠主要代表产品包括三星Galaxy Z Flip 等,其目的在于追求设备的便携性,是将普通手机进行弯折变得小巧便于携带。从内折、外折的角度看,内折折弯半径更小,对屏幕要求较高,需要使用寿命更长的柔性屏幕,因此技术难度较大,成本更高;外折对屏幕要求相对较低,但需要承担保护玻璃或保护膜强度不足带来的“碎屏”、“裂屏”风险。

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  折叠屏是未来手机的重要卖点,折叠屏手机能够在原有功能的基础上大幅强化手机的娱乐性能,充分满足消费者的需求。由于技术难度较高、工艺路线复杂,折叠屏手机目前价格居高不下,基本均在万元级别,影响市场拓展进度,2019年9月至2020年6月折叠屏“三巨头”三星、华为和摩托罗拉总计销量仅174万台。但根据IHS 预估,折叠屏手机的出货量到2025年有望超过5000万台,未来市场空间广阔。

  根据非晶中国数据,一个铝合金手机壳经CNC 工艺加共需要21道工序,118分钟,成本大约275元;而用锆基非晶合金注射成型技术,只需要4道工序,时间6分钟,成本138元左右。以国内手机年产量12亿部,渗透率10%估算,仅非晶手机壳市场即达到150亿元以上,加上折叠屏手机铰链以及其他微小零部件,非晶手机市场规模可达200亿元以上。

  无线充电技术可以分为四种类型:第一类是通过电磁感应进行短程传输,它的特点是传输距离短、使用位置相对固定,但是能量效率较高、技术简单,很适合作为无线充电技术使用。第二类是将电能以电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁共振”等形式传输,它具有较高的效率和非常好的灵活性,是目前业内的开发重点。第三类是“电场耦合”方式,它具有体积小、发热低和高效率的优势,缺点在于开发和支持者较少,不利于普及。第四类则是将电能以微波的形式无线传送——发射到远端的接收天线,然后通过整流、调制等处理后使用,虽然这种方式能效很低,但使用最为方便,英特尔是这项方案的支持者。

  电磁感应方式:目前见到的无线充电技术,大多采用电磁感应技术。原理类似于分离式变压器,将发射端的线圈和接收端的线圈放在两个分离的设备中,当电能输入到发射端线圈时,就会产生一个磁场,磁场感应到接收端的线圈、就产生了电流,即实现无线电能传输。该技术目前较为成熟,手机、牙刷、耳机等无线充电设备多采用该技术,但传输距离有限,只能在数毫米至10厘米的范围内工作,对设备的摆放有一定的要求,加上能量呈发散式,能源效率不高。

  磁共振方式:与电磁感应方式相比,磁共振技术在距离上有一定的宽容度,可以支持数厘米至数米的无线充电,使用上更加灵活。磁共振使用两个规格完全匹配的线圈,一个线圈通电后产生磁场,米乐 M6米乐另一个线圈因此共振、产生的电流就可以给设备充电。除了距离较远外,磁共振方式还可以同时对多个设备进行充电,并且对设备的位置并没有严格的限制,使用灵活度在各项技术中居于榜首。在传输效率方面,磁共振方式可以达到40%~60%,仅次于电场耦合方式。

  电场耦合方式:通过沿垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力,其基本原理是通过电场将电能从发送端转移到接收端。相对比传统的电磁感应方式,电场耦合具有充电时设备位置水平自由度较高、电极可以实现轻薄化、传输过程中发热较低、电力利用效率较高的优点。

  电波接收方式:类似于常用的WiFi 无线网络,该方式采用电波作为能量的传递信号,接收方收到能量波后,再通过共振电路和整流电路将其还原为设备可用的直流电。电波接收方式的缺点在于能量利用效率非常低,传输功率极小,如果用于手机充电耗时将非常长;但其优点在于可实现远距离传输电能,做到随时随地充电。

  无线充电场景涉及电生磁与磁生电的过程,磁场的改变会在金属中形成感应电流(涡流效应),从而弱化磁场强度并产生热量。而隔磁材料的加入可以使得大部分磁力线聚集并通过磁性材料而非通过金属层,从而提高磁场强度,并降低热量。目前较为常见的隔磁材料包括铁氧体、铁基非晶及铁基纳米晶材料等。

  软磁铁氧体:生产成本低,磁导率虽然较低,但在不同频率下磁导率相对稳定。缺点在于加工成薄片容易断裂破碎,成品率低。同时其饱和磁感应强度不高,需要更大的厚度,防止大电流充电时磁片饱和导致的失效及发热,难以满足手机等电子设备小型化对材料超轻超薄的需求,通常用作发射端或大功率设备的接收端。

  非晶合金:很高的磁导率、低的矫顽力和磁损耗以及高的饱和磁感强度;同时强度高、耐磨损。缺点在于热处理后材料韧性下降,后续加工难度较大,生产效率难以保证。

  纳米晶:兼备了铁基非晶合金的高饱和磁感应强度Bs 和钴基非晶合金的高磁导率特性。虽然纳米晶合金的Bs 值低于铁基非晶和硅钢,但其在高磁感下的高频损耗远低于后者,并具有更好的耐蚀性和磁稳定性。纳米非晶材料的磁导率、充电效率要高于铁氧体,而且可以做到柔软超薄,是目前小型无线充电设备的主流材料。缺点在于磁导率随频率上升降低的较快、材料容易破碎后续加工难度大、价格相对铁氧体更高。

  随着厚度的增加,充电效率在不断提升,但纳米晶不是越厚越好,到0.1mm 时基本饱和,因此,在设计无线充电模块时,纳米晶导磁片不需要做的太厚,会增加材料成本。铁氧体的规律与纳米晶类似,磁导率越高,充电效率越高,厚度越厚,充电效率也越高,但在同等充电效率下,纳米晶磁片的厚度仅为铁氧体的一半。

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  公司是一家集轻合金材料研发、生产、营销为一体的国家火炬计划重点高新技术企业,液态金属、生物可降解医用镁合金、镁铝合金汽车产品为公司三大重点板块业务。产品范围包括消费电子、高端LED 幕墙、医疗器械、汽车配件、通讯设备、大型结构件(车门、电视幕墙等)等。根据公告,公司是行业内进行液态金属研发的先驱,具备从材料到设备和设计一体化的制造能力,也是全球唯一将液态金属应用在汽车行业的企业,公司2012年开始研发,2018年块状非晶开始批量化生产,随着应用场景的逐渐拓展,市场空间大。

  拥有多个科研平台研发能力支撑公司竞争力:公司先后建有“宜安科技-中科院金属所非晶态材料研究联合实验室”、“国家博士后科研工作站”、“广东省轻合金工程技术研究开发中心”、“省企业技术中心”、“广东省院士专家工作站”、“广东省企业重点试验室”、“国际科技合作基地”等多个科研机构,研发能力强大。2019年公司取得21项授权专利,累计拥有101项,其中多项为非晶合金领域专利。

  营业收入连续七年增长公司净利润稳步提升:2019年公司实现营收10.25亿元(+3.98%),连续七年保持正增长,归母净利润1.03亿元(+90.20%)创历史新高,2019年净利润大增主要在于收到高铁拆迁款4976万元,导致非经常性损益大幅增加。2020年H1公司实现营收4.20亿元(-20.09%),归母净利润0.08亿元(-73.05%)。

  公司是国家科技部及中科院联合认定的国家高技术企业,以“先进功能材料及器件、特种粉末冶金材料及制品、高品质特钢及焊接材料、环保与高端科技服务业”四大板块作为核心业务板块,产品涉及非晶/纳米晶带材及制品、难熔材料及制品、粉末材料及制品、磁性材料及制品、焊接材料及制品、高速工具钢及人造金刚石工具等。

  国内非晶板带龙头2019年缩减非晶业务现为纳米晶行业龙头:安泰科技拥有直属非晶制品分公司,同时通过子公司安泰南瑞以及江苏扬动安泰非晶等子公司延伸非晶板带材以及纳米晶等非晶业务,2014年公司即拥有非晶带材产能4万吨,同年启动1.2万吨新产能建设,是国内非晶板带材龙头企业。但2016年后国网配电变压器招标总量下滑,同时非晶带材企业扩张项目大量投产,导致行业急剧恶化,公司新项目投产后始终处于亏损状态。2019年国网电科院通过减资缩股退出与公司合营的安泰南瑞,公司减资缩股退出江苏扬动安泰非晶,通过缩减部分亏损非晶业务实现业务板块优化调整,目前公司拥有非晶带材产能2万吨,纳米晶产能3000吨,纳米晶产能位居全球首位。

  2019年公司实现营收47.8亿元(-5.42%),归母净利润1.65亿元(+175.7%),实现扭亏为盈,2019年净利润增长主要在于公司剥离亏损业务,非经常性损益达到1.13亿元,较2018年增加1.52亿。2020年H1公司实现营收23.56亿元(-5.14%),归母净利润0.50亿元(-31.42%)。

  1. 非晶纳米晶-崛起中的高端新材料1.1 非晶纳米晶材料对比普通金属材料具有更高强度和可塑性非晶合金,也称金属玻璃、液态金属(由美国 Liquidmetal Technology 翻译而来),是由合 金材料熔体超急冷凝固(通常大于 100K/s),凝固时原子来不及有序排列结晶,得到的固 态合金是长程无序...