张默涵
11月10日，浙江省科技进步奖揭晓，中科院宁波材料所研究员李润伟牵头完成的“高饱和磁感应强度低损耗纳米晶软磁材料关键技术及应用”项目获得了一等奖，其产品成功实现进口替代。这位深耕磁材应用领域的科研工作者多年来致力于非晶器件的研究，并取得了显著成绩。几年前，李润伟团队制备出一款数字化柔性触觉传感器。作为智能可穿戴设备，该产品精度和灵敏度高，甚至可探测到蚊子心脏的跳动，受到了商家青睐。这种小型化、高灵敏度的磁传感器在医疗、军工、人工智能、地质勘探等众多领域有巨大应用市场。
据介绍，这款磁传感器里使用了一种丝材作为磁敏材料，对该产品的高性能起到了非常关键的作用。这种丝材便是非晶态合金材料。
新特性：非晶磁材迎来新市场
非晶态合金又称液态金属，或称金属玻璃。人类发现这个奇特材料仅有几十年时间，但其已凭借出众的性能得到科学家和产业界的高度重视。
非晶合金硬度高、强度高，是理想的手机结构件材料。用非晶合金制备的华为折叠屏手机铰链可折叠20万次不变形。多年前，美国苹果公司就布局了很多专利，如iPhone4尝试用非晶合金做取卡针。特斯拉、凯迪拉克等高端汽车锁扣拉手等也选用该材料。
当前，非晶合金在软磁材料领域应用最为成功。在配电变压器的使用中，非晶铁芯比硅钢铁芯节省75%~80%的空载损耗。以一台容量为400千伏安的一级能效变压器为例，全生命周期内非晶变压器节能达5.2万千瓦时 ，是典型的节能环保材料。用非晶合金制作的磁材在新能源汽车、光伏、风力发电等领域被优先选择。世界上很多国家也非常重视该材料的发展与应用。日前，美国能源部提出，2027年美国配电变压器拟采用新标准，几乎所有按照新标准生产的变压器铁芯都将采用非晶合金。日本、欧盟也倡导使用非晶变压器为碳减排做贡献。去年，我国工信部出台文件，要求到2025年，新增高效节能变压器占比达到80%以上，铁基非晶合金成为最值得期待的材料。
非晶合金尚有部分特殊磁性能待开发与应用，很可能打开全新的市场。上世纪90年代初，科学家发现非晶合金丝材巨磁阻抗（GMI）效应十分典型。巨磁阻抗是指材料的交流阻抗随外加磁场显著变化的现象。它是科学界研究的前沿，和其他磁传感器比，具有小型化、更灵敏、更精准、更可靠等优点。
新赛道：产业已形成百亿元规模
非晶丝材及其制备的器件为非晶合金领域带来了全新“丝”路。
在军用领域，非晶产品主要在磁探测上发挥重要作用。在现代战争中，高精度打击是对武器的基本要求。现代军队为更精准打击目标，已在导弹、火炮、水雷等导航段安装非晶传感器。据了解，该产品在军方磁导航、磁探测等领域应用广、需求量大，海外市场规模超过30亿元/年。
在医疗行业，非晶产品目前最主要的应用市场是电生理领域。当前，国内射频消融手术的数量逐年增长，仅中国快速性心律失常患者中使用导管消融治疗的手术总量（不包含冷冻消融）就从2015年的11.7万例增加到2020年的20.2万例，复合年增长率为11.5%。预计到2024年，电生理手术量将达到45.0万例，年复合增长率为22.1%。作为必需耗材，每台手术要消耗2根以上置有传感器的导管，能带动微型磁传感器使用量大幅增长，预计仅国内就有超2亿元/年的市场规模。
微型磁传感器因其体积小、抗遮挡的特点，可广泛应用于其它医疗及科研领域，如用于肿瘤学，可在组织活检、抽液以及放疗过程中跟踪针尖位置；用于脊柱外科，可帮助瞄准髓内钉远端锁定孔；也可用于跟踪内窥镜、腹腔镜的位置和姿态，以及超声影像融合等，具有十分广阔的市场前景。据医疗行业的资深人士透露，仅非晶微型磁传感器在肿瘤穿刺、鼻饲管方面的需求，2022年国内就有超过3亿元的市场规模。有资料显示，我国磁传感器市场规模高达近400亿元/年，弱磁传感器有近百亿元/年。
新认识：丝材制备尚需沉淀和积累
非晶合金丝制备技术、生产工艺门槛较高，有水纺法、泰勒法等制备方式。并且，传感器用途方向不同，对丝材要求也不一样。目前，日本、以色列等少数国家制备非晶合金丝材技术较为成熟，且海外对高质量非晶合金丝材严格管控，如日本钴基非晶合金裸丝严格限制出口。
早在上世纪90年代，我国包头稀土研究院科研工作者便开始研发、制备非晶合金丝，并取得较大进展。近年来，在市场需求的推动下，非晶合金丝生产装备水平不断提升，非晶合金丝制备路径和方式也不断取得新的突破。在国内相关协会和科研单位推动下，国内从事非晶合金丝研发和制备的科研单位有18家左右，有近10家企业从事相关生产研发。中国电器工业协会非晶合金材料应用分会（下称非晶分会）为了促进非晶合金丝产业链形成，2021年、2022年连续举办了两次非晶合金丝材和传感技术研讨会，邀请国内外专家和企业共同交流和研讨，对推动我国非晶合金丝材产业发展做出重要贡献。
但我国相关装备制造和先进国家相比还存在差距。非晶分会负责人介绍，目前国内企业制备非晶合金丝的方式有3种~4种。近年来，非晶合金丝材质量有了明显进步，但和发达国家比，还存在着连续性不够、均匀性不好、性能不稳定、一致性较差等进步空间。缺少高质量的非晶合金丝材，对于高精度传感器来说，难以快速形成大批量、高稳定的市场。
这位负责人同时介绍，为了提高我国在相关方面的制备和应用开发水平，非晶分会将于今年11月29日在深圳举办第三届非晶合金丝材等磁敏材料和传感技术研讨会，邀请行业专家、企业代表等就行业发展的痛点堵点进行分析研讨、出谋划策，推动非晶合金产业发展进入新赛道。
此外，高质量发展需要高标准牵引。去年，中科院宁波材料所牵头，非晶分会协同，开展了非晶合金丝国家标准的制定工作，有21家科研单位参与。
《中国冶金报》（2023年11月22日 03版三版）
