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              新聞資訊 公司動態 行業熱點 技術聚焦
              技術前沿:錳鋅軟磁鐵氧體軟磁材料——控電逆變、去噪基礎材料
              作者:未知 來源:AIOT大數據 時間:2023-11-14 瀏覽:Loading... 點贊:2次


              軟磁鐵氧體材料的基本情況
              根據磁性強弱,物質的磁性可以分為抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性,其中鐵磁性和亞鐵磁性物質為強磁性物質。磁性材料通常指稱強磁性物質,主要由過渡族元素鐵、鈷、鎳等元素及其合金組成。

              根據應用類型的不同,磁性材料可以分為軟磁材料、永磁材料和功能磁性材料。軟磁材料是對磁通密度及磁化強度具有低矯頑力的磁性材料,與硬磁材料相比,其易于磁化,亦易于退磁,通常用于制備成電感、電子變壓器等各類電子磁性元件實現電能傳輸、電能變換、信號篩選等功能。
              根據材質和結構的不同,軟磁材料可以分為金屬軟磁、軟磁鐵氧體和非晶、納米晶軟磁合金。
              金屬軟磁以硅鋼片為典型代表,是最早的軟磁材料,由于其電阻率較低,在高頻下損耗較高,更適用于低頻場景。金屬軟磁粉芯由鐵鎳、鐵硅、鐵硅鋁等合金軟磁粉制成,對傳統硅鋼片高頻高損耗的缺點有所改進。軟磁鐵氧體材料具有較高的電阻率和較低的飽和磁通密度,因在中高頻場景內損耗較小,機械加工特性好,在諸多領域被廣泛應用。非晶合金軟磁由合金溶液在急速冷卻的工藝下制備成非晶態合金薄帶,納米晶軟磁在非晶合金軟磁的基礎上通過適當的退火環節得到納米級別的軟磁合金,上述材料在飽和磁通密度和電阻率上具備更優良的綜合性能,但在技術成熟度上低于金屬軟磁和軟磁鐵氧體??傮w來看,不同種類的軟磁材料由于在電磁特性、技術成熟度、產品價格上的差異,應用于不同的需求場景。
              軟磁鐵氧體按照配方的不同主要包括錳鋅系、鎳鋅系和鎂鋅系,其中錳鋅系鐵氧體是應用最廣、產量******的軟磁鐵氧體材料,根據QYResearch的統計,2020年錳鋅軟磁鐵氧體的產量占軟磁鐵氧體總產量的75.6%。
              軟磁鐵氧體材料的電磁性能是下游客戶評價的關鍵因素,電磁性能的核心參數主要包括初始磁導率μi、飽和磁通密度Bs、功率損耗Pcv、居里溫度Tc。具體參數如下表所示:

              軟磁的生產與行業應用
              磁芯的電磁性能很大程度上取決于磁粉材料的特性
              1、功率類產品
              功率類軟磁鐵氧體的初始磁導率一般位于1,000~4,000的區間范圍內,主要應用于各類開關電源的電子變壓器,實現電壓變換、電流變換、阻抗變換等功能,開關電源變壓器需要在較高頻率和較大電流下保持良好的電磁性能,因此功率類軟磁鐵氧體需具備低功率損耗、高飽和磁通密度和寬溫的特性。低功率損耗將減少能量傳輸過程中的發熱量和能源損耗,提升轉換效率;高飽和磁通密度使磁芯能夠在高功率和大電流的狀態下工作;高居里溫度使磁芯能夠應用于更高的溫度環境。
              根據《中國磁性材料與器件行業年鑒(2020)》的統計,功率類鐵氧體占軟磁鐵氧體總量的比例在55%左右。功率類軟磁鐵氧體應用廣泛,為滿足電子磁性元件輕型化、小型化、高效穩定的需求,需不斷提升自身電磁性能。
              2、高導類產品
              高導類軟磁鐵氧體材料的初始磁導率一般能達到5,000以上,具備高電感和高阻抗的特性。高導類軟磁鐵氧體材料具備更高的初始磁導率,在同等的電感值要求下,可以減少所需纏繞的線圈匝數,從而實現縮小電子磁性元件體積的目的;同時,高導類材料高電感值帶來的高阻抗特性使其可用于衰減高頻電流,達到抑制電磁干擾和濾波的功能。高導類軟磁鐵氧體材料主要應用于數字網絡、通信系統等領域的寬帶變壓器、脈沖變壓器中,上述領域的電子變壓器對材料體積和磁導率的要求較高;此外,高導類軟磁鐵氧體材料亦可用于EMI濾波器等元器件實現過濾和抑制雜波的功能。
              隨著電子產品輕薄化、小型化、輕量化趨勢日益凸顯,抑制電磁污染的需求不斷提升,電子產品需降低設備本身對電網的干擾,并提高自身抗干擾能力,因此高導類軟磁鐵氧體材料需求不斷增加。
              工藝流程
              軟磁鐵氧體材料的生產工藝可以分為前道的制粉流程和后道的制芯流程。

              磁性材料市場的基本情況

              磁性材料是國民經濟生產過程中重要的基礎性材料,廣泛應用于電子、電力、信息、機械、交通、新能源、醫療衛生、國防軍工等領域,用于存儲和傳輸電能。根據QYResearch的統計和預測數據,2016年至2022年,全球磁性材料的產量從186.59萬噸增長至241.70萬噸,年均增長率為4.4%,預計到2027年,全球磁性材料的產量將達到344.23萬噸,2021年至2027年的年均增長率為7.2%。

              我國憑借資源和勞動力優勢,以及產業鏈和市場的配套支持,已發展成為全球磁性材料主要的生產基地和銷售市場。根據中國電子材料行業協會磁性材料分會的統計,2021年中國磁性材料產業的合計營業收入已經超過1,000億元。
              軟磁鐵氧體市場的基本情況
              軟磁鐵氧體是軟磁材料中的重要品種,其工業化生產可追溯至20世紀40年代,半個多世紀以來,軟磁鐵氧體的電磁性能、工藝成熟度、生產規模和自動化水平不斷提升,滿足下游不斷更新的應用需求。由于軟磁鐵氧體在中高頻條件下功率損耗較低,具有良好的機械加工特性,技術路徑相對成熟,因而在家用電器、計算機、手機通訊等領域中被廣泛應用,用于制造成電子變壓器、電感等各類電子磁性元件。伴隨著無線充電、新能源汽車、光伏發電、綠色照明等新興市場的崛起,軟磁鐵氧體的應用范圍和市場需求將持續保持良好增長。
              我國軟磁鐵氧體的生產起步于20世紀50至60年代。受益于家電產業鏈的帶動,20世紀80至90年代我國軟磁鐵氧體的工業化生產得到高速發展,企業數量不斷增加,產量規模迅速擴大。國外知名磁性材料生產企業亦逐漸加大在我國投資建廠的力度,帶動我國磁性材料生產規模、生產技術和產品性能的提升。
              根據中國電子材料行業協會磁性材料分會的統計,2021年我國軟磁鐵氧體的銷量約為46.0萬噸,銷量同比增速為10.8%,我國已成為******************的軟磁鐵氧體生產國。同時,中國未來軟磁鐵氧體的產量將會以10%的年均增速向前發展,增速超過世界軟磁鐵氧體材料每年6%的年均增速。
              軟磁鐵氧體的產業鏈上下游情況
              磁粉生產的上游主要涉及鋼鐵行業、化學原料和化學制品制造業,將磁粉加工成磁芯后,下游主要應用于各類終端場景所需的電子變壓器、電感器等電子磁性元件。

              上游行業分析
              錳鋅軟磁鐵氧體材料的主要生產原料包括氧化鐵、氧化錳、氧化鋅。生產廠商通過向上游購買金屬氧化物原材料后按照一定比例混合,通過振磨、造球、預燒、噴霧造粒等生產工藝加工成磁粉。
              氧化鐵是鋼鐵生產加工過程中的副產品,通常通過對鋼板酸洗后的廢酸液進行提純加工后獲取。氧化錳通常通過電解金屬錳粉懸浮液并氧化處理后獲取,氧化鋅通常通過燃燒鋅或焙燒鋅礦等方式獲取,氧化錳和氧化鋅的價格與電解錳、鋅錠等大宗商品的價格走勢存在較高的關聯性。
              下游行業分析
              軟磁鐵氧體磁粉的下游主要為磁芯生產廠商,磁芯主要用于加工成電源電路中不同型號的電子變壓器、電感等電子磁性元件。電子變壓器主要利用電磁感應原理,在電路中實現電壓變換、電流變換、阻抗變換等功能,例如:將輸入的220V高電壓輸出為相對偏低的理想電壓、將交流電整流成直流電等;電感器主要用于在電路中實現信號篩選、電能蓄積等功能,例如:對電路中的高頻交流信號進行濾波。
              電子變壓器和電感器是電子信息產業中基礎性的電子元器件,對生產出的電子整機的性能和質量至關重要。根據中國電子元件行業協會編制的《中國電子元器件行業“十四五”發展規劃》,2020年我國電子元器件行業整體銷售額為18,831億元,2015年至2020年平均增長率為4.75%,市場需求總體保持平穩增長,我國電子元器件行業的產銷規模目前居于全球首位。根據工業和信息化部于2022年9月新聞發布會公布的數據,我國電子元器件產業整體規模已突破2萬億元。
              其中:電子變壓器行業2020年實現銷售額639億元,2015年至2020年的平均年化增長率為2.3%;電感器行業2020年實現銷售額279億元,2015年至2020年的平均年化增長率為6.3%。
              由于電子元器件居于工業產業鏈中游,其基礎性作用對我國產業鏈和供應鏈安全至關重要,我國《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中明確提出“加快補齊基礎零部件及元器件、基礎軟件、基礎材料、基礎工藝和產業技術基礎等瓶頸短板”。
              根據中國電子元件行業協會編制的《中國電子元器件行業“十四五”發展規劃》,到2025年,電子變壓器行業擬實現銷售額777億元,對應測算年均增長率為4.0%;電感器行業擬實現銷售額410億元,對應測算年均增長率為8.0%。
              基于上述數據,預計未來以電子變壓器、電感器為代表的電子磁性元件仍將保持穩定增長,其中汽車電子、光伏發電、5G通訊、新型家用電器和消費電子等應用領域的需求將會保持更高增速,電子磁性元件行業需要通過技術和工藝升級提升對高端產品的配套供給能力。

              ①家用電器領域基本情況
              軟磁鐵氧體磁芯廣泛應用于電視機、冰箱、空調、音響等家用電器中,實現電壓變換和降噪濾波等功能。根據國家統計局的統計數據,2021年中國家用電器和音像器材類零售額為9,340億元,同比增長8.98%;2022年,因宏觀經濟增速放緩、社會消費意愿減弱,2022年中國家用電器和音像器材類零售額為8,890億元,同比下降3.90%。

              ②光伏行業基本情況
              軟磁鐵氧體材料在光伏行業中主要應用于光伏發電系統的逆變器中。逆變器將太陽能模組輸入的直流電轉換成符合并網要求的交流電,軟磁鐵氧體可用于生產逆變器中的高頻變壓器、驅動變壓器和抗電磁干擾濾波電感等磁性元件。
              全球正面臨著能源危機和環境污染的問題,光伏發電從資源可持續性和環境友好兩個層面都優勢明顯,當前全球諸多國家政府都出臺政策鼓勵光伏行業的發展。大力發展光伏發電替代傳統能源,對我國實現“碳達峰、碳中和”目標也有著極為重要的戰略性意義,國家能源局在《關于2021年風電、光伏發電開發設有關事項的通知》中指出“2025年非化石能源消費占一次能源消費的比重達到20%左右”、“2030年非化石能源占一次能源消費比重達到25%左右、風電太陽能發電總裝機容量達到12億千瓦以上”。當前我國光伏產業在技術水平、產品競爭力、產能規模等方面已居于************地位,涌現出一批具備全球影響力的行業標桿企業,光伏行業預計在未來的發展空間仍然十分廣闊。根據國家能源局的數據,2022年我國光伏新增裝機量為87.41GW,同比增長59.3%。根據中國光伏業協會的預測,十四五期間全球光伏年均年新增裝機量約為222~287GW,中國年均新增裝機規模約為70~90GW。
              提升光伏發電的光電轉換效率要求軟磁鐵氧體磁芯具備低損耗的特性,同時需具備在高頻率和強直流條件下工作的能力,盡可能減小元器件的體積大小,這要求軟磁鐵氧體磁芯具備更高的飽和磁通密度和更優的直流疊加特性。

              ③消費電子行業基本情況
              軟磁鐵氧體在消費電子中主要應用于手機、計算機等諸多電子設備中,用于實現提高充電效率、降低噪聲和磁場干擾等功能。以計算機領域為例,軟磁鐵氧體磁芯在計算機中可應用于筆記本電腦的液晶顯示器、電源適配器中制作成各類濾波器、DC-DC變換器、DC-AC逆變器等電子磁性元件。根據IDC的統計報告,2021年全球個人計算機的出貨量為3.49億臺,同比增長14.8%,其中中國個人計算機的出貨量約為5,720萬臺,同比增16.1%。2022年,因宏觀經濟增速放緩、居民消費意愿有所減弱,全球消費電子行業的銷量增速有所放緩。根據Canalys的統計報告,2022年我國個人電腦整體出貨量約為4,850萬臺,同比下降15%左右。
              當前中國個人計算機的滲透率和發達國家相比仍有一定提升空間,根據IDC的預測,2025年中國個人計算機的出貨量將達到約6,970萬臺,預計未來計算機市場出貨量仍將保持穩定增長,輕薄化、高性能化的發展趨勢更加明顯,因而軟磁鐵氧體材料也需具備更良好的高頻低損耗、飽和磁通密度、抗干擾等特性。

              此外,軟磁鐵氧體材料還被廣泛應用于手機充電器、消費電子設備、電動汽車的無線充電領域。無線充通過電感耦合發射和接受信號,實現電能傳輸效果,由磁性材料和線圈貼合組成的隔磁片是無線充電技術發射端和接收端的重要部件,主要用于增強感應磁場,提升轉換效率,同時屏蔽線圈干擾。無線充電用軟磁鐵氧體需要具備較高的飽和磁通密度和較低的功率損耗,并具備更高的可靠性、更小的尺寸。無線充電在安全性、靈活性和通用性上表現更優,以智能手機為代表的無線充電市場未來成長空間廣闊。根據中國電源學會的統計,2019年我國無線充電市場規模已達到5.38億元,同比增長121.4%;2020年,我國無線充電市場規模達到13.38億元,同比增長148.70%4。根據ResearchAndMarkets的預測,預計2026年全球無線充電市場規模將達到162.5億美元。

              ④新能源汽車行業基本情況
              汽車電子是軟磁鐵氧體材料重要的終端應用領域。隨著資源與環境雙重壓力的持續增大,在政策和技術進步的驅動下,新能源汽車已成為未來汽車工業發展的方向,純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車等各類新車型的市場滲透率迅速提升,新能源汽車與傳統汽車相比具備更高的電動化、智能化、網聯化特征,單臺汽車電子設備的數量不斷增加,進而需對應增加電子元器件的種類,以更好實現能量傳輸、儲存和轉換,這也為上游軟磁鐵氧體材料帶來廣闊的發展空間。例如:當前高強度放電照明和42V汽車電源在汽車中應用比例提升,帶動更高規模的DC-DC變換器需求,用于實現電壓轉換。同時,在有限的空間中組裝更多的電子電路也容易引起電磁干擾的問題,為確保汽車電子系統的可靠運行,在汽車電路中需更多配備具有抗干擾功能的高導類軟磁鐵氧體磁芯。
              根據中國汽車工業協會的統計,2022年中國全年實現汽車銷量為2,686.4萬輛,同比增長2.1%。其中:新能源汽車銷量達到688.7萬輛,同比大幅增長93.4%,占當年汽車銷量的比重提升至25.6%。根據國務院辦公廳《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035年)》,到2025年,新能源汽車在新車銷量中的占比將爭取達到20%左右,未來幾年內新能源汽車的滲透率將進一步提升。

              此外,軟磁鐵氧體磁芯還應用于充電站充電電源中的變壓器和輸出濾波電感,或應用于感應式充電系統,通過初次級間的磁感應耦合實現電能傳輸。根據中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟的統計和預測,2022年中國公共充電樁和隨車配建充電樁分別新增65.1萬臺和194.2萬臺,同比分別上升91.6%和225.5%,2023年預計將新增公共充電樁97.5萬臺、新增隨車配建充電樁340.0萬臺??h城鄉鎮充電基礎設施的建設、高速公路充電樁的覆蓋程度在未來仍有較高提升空間。
              總體來看,以新能源汽車為代表的汽車電子將成為未來軟磁鐵氧體材料需求增長的重要驅動,同時,由于汽車運行需面臨更復雜的溫度和運動環境,因此,軟磁鐵氧體材料需要具備更良好的寬溫特性和更高的一致性水平。

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