5.1　产业发展的背景需求及战略意义

　呼吸机产业背景分析

呼吸机为治疗呼吸衰竭患者的重要器械。呼吸机用于机械辅助通气，实现帮助患者正常呼吸。当患者呼吸功能失常时，呼吸机可以模仿人的呼吸速率将含氧量不同的气体（21%～100%）送进肺部，并规律性地进行气体交换，帮助患者改善缺氧、二氧化碳滞留状态。呼吸机能够为患者提供吸氧服务，以及帮助呼吸功能存在障碍的患者恢复正常生活，随着现代医学的迅猛发展，呼吸机的应用越来越普遍，发展也越来越快。

呼吸机主要分为单水平呼吸机、单水平全自动呼吸机和双水平呼吸机，其中单水平呼吸机及单水平全自动呼吸机主要适用于睡眠呼吸暂停综合征患者，双水平呼吸机主要适用于慢性肺阻等肺部疾病患者。

5.1.1.1　呼吸机产业发展现状

呼吸机于2000年前后进入中国市场，近年来随着电商渠道的崛起，呼吸机的购买渠道更加多样化，市场呈现快速发展态势，同时伴随着国内基层医院的设备升级，呼吸机消费需求持续增长，我国呼吸机市场规模从2014年的55.8亿元增至2018年的116.1亿元（图5-1）。

呼吸机作为常规的救治仪器，已普遍应用于临床抢救、治疗各种原因引起的急慢性呼吸衰减或呼吸功能不全，在医院ICU抢救危重病人时起着至关重要的作用。2013—2018年我国医用呼吸机需求量呈现逐年增长态势，2018年中国医用呼吸机需求量达1.47万台，同比2017年增长了14.8%（图5-2）。

5.1.1.2　新冠病毒肺炎疫情下医用呼吸机的重大需求

医用呼吸机为三类医疗器械，常规家用呼吸机为二类医疗器械。根据 2017 年版《医疗器械分类目录》来看，家用呼吸支持设备（非生命支持）、睡眠呼吸暂停治疗设备属于二类医疗器械，一般用于家庭；治疗呼吸机（生命支持）、急救和转运用呼吸机、高频呼吸机、家用呼吸机（生命支持）属于三类医疗器械，兼具无创与有创的连接方式，多在医疗机构使用。呼吸机为抗击疫情的重要战略物资。新冠病毒肺炎的多数患者伴有呼吸困难等下呼吸道感染症状，在缺少特效药的情况下，患者出现呼吸困难症状就需要给予及时的呼吸支持，确保患者血氧饱和度在安全范围内，缓解病程向重症、危重症转化。呼吸机已成为重要的战略物资，但是各国当下储备不足。欧盟委员会已决定建立囊括呼吸机和防护口罩等的战略性“拯救欧洲”医疗设备储备库。美国已启动《国防生产法案》，批准福特、通用和特斯拉等汽车企业制造呼吸机。

（1）受新冠疫情影响，海内外医用呼吸机储备需求快速增长

重症诊疗方案中，呼吸机、人工肺不可或缺。由于缺乏抗病毒特效药，新冠病毒肺炎患者的治疗以对症治疗为主，针对性地使用药物及支持手段，其中，推荐重型患者使用鼻导管或无创呼吸机治疗，以及其他支持治疗；危重患者需要有创呼吸机进行通气，如果进一步恶化，则使用体外膜肺氧合（ECMO）治疗，同时辅以更加精细化的对症手段。

呼吸机为重症、危重症病房必需配置。根据中国确诊患者的发病统计来看，新冠病毒肺炎患者中重症、危重症的发病占比分别为13%、6%，重症、危重症患者需要更加集中、高端的重症监护治疗资源，环ICU重症医疗设备需求急速增加，其中呼吸支持类医疗设备为重要设备。

（2）疫情刺激公共卫生应急储备，国产呼吸机大幅供应满足医疗需求

中国急需国家级公共卫生应急储备应对重大疫情，环ICU医疗设备链中呼吸机需求大。呼吸机为救治重症患者的必需设备，疫情暴发后，武汉地区重症监护资源急速扩张7.6倍。假设应对全国范围内的武汉级别新冠疫情，估计全国范围所需重症监护床位数将达到23.5万张，合计扩张床位数为18.2万张，估计至少急需新增无创呼吸机88261台、有创呼吸机28781台以满足国家级公共卫生应急储备。

后疫情期，ICU重点扩建将大幅拉动呼吸机需求。按照ICU设置标准估算，未来将新增的84142张ICU床位，ICU每床必备的医疗设备将按比例同量增加，其中，呼吸机有望增加84142台以满足ICU建设需求。

疫情期间，国内企业呼吸机月度累计供货量超过1.5万台。自国内疫情暴发至3月3日，工信部重点监测企业共为湖北（主要是武汉）提供了无创呼吸机约1.4万台、有创呼吸机2900余台。受疫情刺激，月度供货量已基本覆盖2019年的全年销售量。

国产呼吸机企业扩产迅速，大幅供货满足疫情需求。疫情期间，国内市场呼吸机订单猛增，国产呼吸机企业积极响应，迅速扩产。在国内抗疫期间，鱼跃医疗的月度累计供货量超过7500台，谊安医疗的月度累计供货量达2000余台，明康中锦（斯百瑞）月度累计供货量约3000台呼吸支持设备，迈瑞医疗月度累计供货量在1000台以上。随着国内疫情平稳，海外疫情暴发，国内企业开始接海外订单，鱼跃医疗呼吸机订单已排至4月底，迈瑞医疗海外呼吸机订单量高达上万台，订单约排至6月份。

（3）海外疫情全面暴发，呼吸机面临巨大缺口

海外疫情全面暴发，医用呼吸机需求快速释放。环ICU医疗设备需求将随着重症、危重症人数增加继续加大，急需进口储备。海外市场呼吸机紧缺，加急订单难以满足临床需求，各大洲国家的呼吸机整体需求紧张。

5.1.1.3　高速静音呼吸机电机用非晶材料的重大需求

市面上呼吸机的种类繁多，但是基本都是由湿化器、控制电路、传感器、电机等组成，这里完成压力输送的就是呼吸机电机。目前呼吸机电机主要应用的是无刷电机，无刷电机在医疗应用领域获得了大力推广，转速高、寿命长、噪声低的优势广泛用到医疗器械中。作为呼吸机的核心部件，电机性能对呼吸机起到最核心的影响。呼吸机电机技术壁垒高，决定呼吸机质量优劣与使用效果。以医用有创呼吸机来看，按照核心技术难度、供气方式分为低、中、高档，呼吸机电机技术是影响呼吸机质量的关键因素。其中高档产品主要为外资产品，高档呼吸机运营的稳定性好，可靠性高，价格约为35万～40万元，中档价格次之，价格约为20万～25万元。呼吸机电机转速通常在30000r/s以上，同时要求电机安静、可靠、高效，能够在夜间、转院途中、急救车或洲际飞行期间通过电池供电高效地驱动呼吸机鼓风机。

非晶合金在磁性能方面兼具高饱和磁感应强度、高磁导率和低损耗特征，现已成功应用于非晶配电变压器，其空载损耗可比传统硅钢变压器降低60%～80%。随着频率升高，硅钢铁芯损耗呈级数快速增加，非晶铁芯节能优势越来越显著（图5-3）。

高速静音呼吸机向着高效性、高可靠性、轻量小型化等更高目标发展。电机高转速、高功率密度和高转矩密度的实现，必须通过提高电机频率得以实现，然而频率的提升会导致电机铁芯损耗呈级数增长，严重影响电机效率、温升和稳定性，解决这一矛盾的关键就是开发具有高频低损耗的新型电机定子铁芯及软磁材料（图5-4）。

相对于传统的电机铁芯硅钢材料，非晶合金应用于高速静音呼吸机电机铁芯，不仅可以降低电机铁芯损耗，还因其具有高磁导率的特征，可以降低电机的启动电流、提高电机的响应速度，降低电机的铜损；而且，非晶材料在电机的工作频率范围（50～2000Hz），磁导率随频率升高衰减缓慢，使非晶电机频率越高综合性能优势越显著。非晶高速电机效率大幅提升，是高速静音呼吸机电机理想软磁材料。

　非晶合金材料及相关产业分析

5.1.2.1　非晶合金的定义

作为一类高新技术材料，非晶合金具有优异的物理、化学性质。非晶合金也称为金属玻璃或液态金属，被誉为钢铁、塑料之后的第三次材料科技革命（图5-5）。

金属在熔化后，内部原子处于活跃状态，一旦金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。如果冷却过程很快，原子的长程输运和重排来不及进行就被“冻结”了，由此就产生了非晶合金。非晶合金的原子最终以混乱方式排列，类似于液体，因此非晶合金又称为液态金属，也称金属玻璃。铁基非晶合金作为一种新型软磁功能材料，具有典型的“双绿色”节能特征。首先，铁基非晶带材一般采用平面流铸造法（Planar Flow Casting，PFC）制备，以106℃/s的冷却速率从钢液直接凝固形成厚度为20～30μm的条带。与传统的硅钢材料的制备过程相比，非晶材料的制造过程省去了浇铸、轧制、再结晶退火、表面绝缘处理等诸多工序，实现了冶金领域最短的工艺流程，制造过程可以节省约80%的生产能耗。同时，非晶材料具有原子排列长程无序的微观结构，从而表现出了优异的物理、化学和力学性能。

5.1.2.2　非晶合金的优点

非晶合金既具有金属的优异特性，又具有非晶的无缺陷结构等特点。正是由于非晶合金具有不同于常规的晶态材料的特殊结构，非晶合金具有很多晶态材料所不具备的力、热、光、电、磁等物理性质和很多独特的化学性质。下面是已经广泛应用的几个性质：

（1）磁性能

在电力电子技术中，非晶态软磁合金将以其高效、低损耗、高磁导等优异的物理性能有力地促进电力电子元器件向高频、高效、节能、小型化方向发展，并可部分替代传统的硅钢、铁氧体材料等，被称为跨世纪的新型功能材料。

在电力技术中，采用非晶态软磁合金作为铁芯材料的配电变压器，其空载损耗比同容量的硅钢芯变压器大幅度降低，因此减少了二氧化碳、二氧化硫等的排放量，又被认为是绿色环保材料（图5-6）。

与传统硅钢、坡莫合金和铁氧体等传统材料相比，非晶合金材料具有以下的优点：

① 能耗低：由于非晶软磁材料比传统晶体金属软磁材料电阻率高，软磁性能好，非晶磁芯的铁损极低，是普通硅钢片铁芯的1/5～1/3。采用非晶合金作为铁芯材料的配电变压器，其空载损耗比同容量的硅钢铁芯变压器低80%。变压器损耗约占配电网损耗的30%～60%，其中空载损耗约占变压器总损耗的50%～80%，因此使用非晶合金变压器节能效果显著。

② 磁性能优异：由于非晶材料原子排列无序，没有晶体的各向异性，因而非晶合金具有高的磁导率和低的矫顽力，铁基非晶合金的饱和磁感应强度可达1.4～1.7T。

③ 生产工艺简单、环保：一般来说，传统晶态软磁合金（例如硅钢和坡莫合金）的生产工艺通常包括熔炼、铸造、热轧、冷轧、加工、退火等十余道工序。而非晶合金采用喷带一次成型，相比于传统晶态软磁合金具有流程短、工艺简单、能耗少的特点。同时，减少了“三废”的排放，非晶软磁材料的生产周期短，更节能，更环保。因此，快速凝固工艺的发明被誉为冶金工艺的一次革命。

④ 价格低：由于工艺简单，因此非晶磁芯的生产成本比较低，与硅钢片接近，而远远低于坡莫合金，具有较高的性价比。

⑤ 温度稳定性高：常用的磁性材料，当温度高于一定值时，材料原有磁性能丧失，该温度称为居里温度（或居里点）。非晶材料居里温度大于400℃，高于铁氧体磁性材料，并与坡莫合金相当。硅钢的居里点最高，但只能在低频使用。另外，由于非晶材料在高温下要发生晶化，因此其使用温度受晶化温度的限制。非晶材料的晶化温度一般在450～600℃之间，可以适应互感器应用环境温度。因此，非晶互感器具有较强的温度稳定性。

⑥ 时效稳定性高：由于非晶材料处于亚稳态，在一定温度条件下有晶化趋势，从而导致非晶材料的磁性能将随时间而降低。但是，这种趋势随温度的降低而呈指数规律迅速递减。美国自20世纪80年代使用的非晶变压器一直运转正常，国内也未见因为铁芯性能恶化导致变压器失效的例子。国内外的应用和试验已经证明，非晶材料在130℃以下使用是可靠的，有些品种的使用温度甚至可以达到150℃。这充分说明非晶材料在时效稳定性方面非常安全。

⑦ 磁冲击稳定性好：非晶磁芯在使用过程中，有时会受到来自电源内部或外部的强磁场冲击。在强磁场冲击后，铁芯保持原有性能是非常关键的。否则，铁芯性能的恶化会降低电源效率，严重的甚至造成铁芯工作点偏移，使铁芯饱和，损坏开关管。目前，试验表明，非晶材料经过适当处理后，磁性能完全可以经受强磁场的冲击而基本复原。

⑧ 机械稳定性高：非晶合金在使用前，一般要经过热处理。而经过热处理后，材料比较脆。作为非晶铁芯使用时，大多数要放在保护盒中或表面注塑后使用。同时，在铁芯装入保护盒时通常还要加入某些衬垫物，如硅脂、海绵等。这些措施完全可以保证铁芯在使用中不发生损坏和磁性能恶化，具有好的机械稳定性。

⑨ 频率适应范围宽：不同的非晶态合金具有不同的饱和磁通密度和居里点，分别可以应用于高频和低频。因此，采用不同配料的非晶互感器能够分别较好地适应高频和低频应用场合。

总之，非晶材料的磁导率、励磁电流和铁损等软磁性能优于硅钢片，其制造过程节能，同时磁性能优良，可降低互感器使用过程中的损耗，因此代替普通硅钢片将是技术发展的必然趋势。

（2）力学性能

由于没有晶态合金常有的晶界和位错等缺陷，与传统晶态合金材料相比，非晶合金的力学性能明显更加优异。非晶合金的力学性能有以下优点：

① 极高的断裂强度。与常用的晶态材料、高分子材料、木材和氧化硅玻璃等相比，非晶合金的压缩断裂强度要高得多，这是非晶合金最为显著的力学性能特征，几乎所有合金系的非晶合金的最高强度都达到了同类合金系晶态材料的数倍。

② 高弹性应变和高弹性极限。非晶合金在压缩变形过程中弹性应变值大多接近甚至超过2%，比晶态合金高几倍。非晶合金的弹性极限接近理想弹性极限（图5-7），其根源在于它的结构无序性，即不能像晶态材料那样通过位错的滑移很快使材料达到屈服。

③ 低杨氏模量。其高弹性和低杨氏模量的特点有很多应用。

④ 高硬度。

⑤ 过冷液相区内的超塑性加工能力。

（3）化学性能

由于非晶合金是单向无定形结构，不存在晶界、位错和层错等结构缺陷，也没有成分偏析和第二相析出，这种组织和成分的均匀性使其具备了良好的抗腐蚀能力的先决条件。同时非晶态合金自身的活性很高，能够在表面上迅速形成均匀的钝化膜，因此非晶合金具有良好的抗腐蚀性。在Zr基和Mg基非晶合金中还发现它们有很好的吸氢性能，特别是后者，氢气吸附率接近100%。Pd基非晶合金用作电极材料时，具有高效率产生氢气的能力，在500周期后，仅消耗不到10%，而普通型材料用20周期后则下降许多。因此非晶合金在新型电极材料领域具有非常好的应用前景。

综上所述，非晶合金力学性能好、耐腐蚀性好，而且具有优异的磁学性能，可节能、污染少，是一种绿色的环保材料，对人类的可持续性发展具有非常重要的意义。随着研究的不断深入，它的应用领域将会不断扩大，对高新技术的发展将起重要的推动作用。

5.1.2.3　非晶合金的应用

基于独特的组织结构和优异的性能，以及高效的制备工艺和广阔的应用前景，非晶合金自诞生以来就一直受到广泛重视，人们也逐渐加大了对其应用技术的研究。短短的几十年，非晶合金已经在很多领域得到广泛应用，可以预见，其作为一种性能优异的材料必将获得广泛应用（图5-8）。

目前非晶合金主要用作软磁材料、模具材料、切削工具材料、电极材料、耐腐蚀材料、储氢材料、运动器材等，其在汽车工业、化学工业、运动器材乃至国防军事上已经表现出巨大的应用潜力。

在化学性质方面，非晶合金对某些化学反应具有明显的催化作用，可用作化工催化剂；某些非晶合金通过化学反应可吸收和释放出氢，可用作储能材料。由于没有晶粒、晶界等缺陷，非晶合金比晶态合金更加耐腐蚀，可作为腐蚀环境中应用设备的首选材料。

由于非晶合金在过冷液相区具有超塑成型能力，容易加工成不同的形状，现已用来制作微型模具，也可以进行微型零件的成型，以及具有复杂形状的零件的近终成型。非晶合金具有高的弹性极限和低的杨氏模量，相对于晶态材料而言具有更好的弹性。用大块Zr基非晶合金制作的高尔夫球头，由于没有晶界、位错等缺陷，在受到冲击时能量损失很少，可以把更多的能量传递给球，将球击得更远，同时球与杆作用的时间加长，有利于对球的控制。目前在美国市场上已有这种高尔夫球杆出售。

大块非晶合金的弹性模量约为钢的一半，作复合装甲的夹层可以延长射弹与装甲车的作用时间，减小冲击；同时由于它的无定形的结构，使破甲弹爆炸产生的喷流对装甲车的冲击得到分散，避免了晶体材料制备的装甲车被击中时产生的沿结晶结构边缘破裂。用这种强化的大块非晶合金来做穿甲弹的弹芯，具有“自锐”效应。普通的金属射弹在冲击力的作用下变成一种扁平的蘑菇状，而大块非晶射弹不同，相反冲击力的作用会将它的四周撕裂开来，在它钻进物体的时候，实际上变得更加尖锐，大大提高了其摧毁力。另外，新型大块非晶合金还具有类似于贫铀合金的高绝热剪切敏感性和更高的强度，这种特殊性能使得它适合用来制造穿甲弹，因而已引起美国军方的高度重视。据报道，美国军方已经与加州理工学院、约翰-霍普金斯大学及橡树岭国家实验室合作，研究大块非晶合金穿甲弹从而代替现役的贫铀穿甲弹。另外，大块非晶合金还具有耐磨、抗疲劳、延展性优良的性质。最近制备出的轻型、抗辐照、高强度的大块Ti基金属玻璃在航天领域有很大的应用前景。

目前，非晶合金材料应用最成熟的是基于其卓越的软磁性能。与传统的晶态合金磁性材料相比，其原子排列无序，没有晶体的各向异性，电阻率高，具有高的磁导率，因而可以应用在高频设备中，具有显著的节能效果。非晶合金铁芯还广泛地应用在各种高频功率器件、传感器、高耐磨音频视频磁头和高频逆变焊机上，这使得电源工作频率和效率大大提高，焊机的体积成倍减小。目前，一种体积小、重量轻的非晶态软磁材料以损耗低、导磁高的优异特性正逐步代替一部分传统的硅钢、坡莫合金和铁氧体材料，成为目前最引人注目的新型功能材料之一。

5.1.2.4　非晶合金相关产业分析

在非晶节能材料的产业链中，包括如下环节：首先是上游的非晶节能材料生产用原材料，主要包括铁、硼、硅等；然后是非晶节能铁芯，其使用非晶合金带材通过剪切、叠装、固定成型及磁场热处理等环节制成；最后是产业链的终端产品，包括非晶节能电力变压器、节能电机、节能电感器等，各领域应用对非晶节能材料的性能都有特殊要求，且都涉及大量相应的关键技术（图5-9）。

在这些环节中，上游的非晶合金带材是关键的制约环节。从技术难度、工艺复杂性等方面来看，非晶合金带材>非晶合金铁芯>非晶合金变压器。从非晶变压器与非晶合金铁芯的技术掌握与生产厂家数量规模情况，可以发现一个比较有趣的现象：一般来说，从上游至下游产品技术含量由高往低排列应该是下游、中游、上游，但非晶合金产业链条却刚好相反，技术堡垒基本集中在上游地区，掌握了上游生产技术就能决定下游产品的规模与生产厂家数量，所以掌握产业链上游非晶合金带材生产技术尤为关键。

随着电子技术向高频、小型化方向发展，非晶纳米晶软磁合金材料已制成各种各样磁性器件代替硅钢、铁氧体和坡莫合金等，应用于电力工业、电子工业及电力电子技术领域，用作电流互感器、大功率开关电源、逆变电源和程控交换机电源的变压器、电抗器、滤波器、互感器及传感器等。

（1）非晶合金生产用原材料产业

非晶节能材料生产用的原材料主要有工业纯铁、工业纯硅和工业铁硼等。原材料并不紧缺，采购途径也较多，但原材料中的杂质含量差别较大，且价格随市场供求关系波动较大。总的来说，非晶节能材料生产的上游原材料供应是比较充足的，只需做好杂质含量分析和成本控制即可。

（2）非晶变压器产业分析

非晶节能变压器是非晶节能材料目前用量最大的领域，且其市场仍将不断扩大。非晶合金变压器是在20世纪80年代初由美国开始研发生产的，当时美国认识到非晶合金变压器对电力线路节约能源的巨大潜能，由美国电力委员会组织了GE（通用电气）公司、霍尼韦尔公司、美国超导能源公司、美国南方电力公司等八大相关机构，联合对非晶合金变压器产品的设计、制造、运行等环节进行技术研发和实际运行可靠性验证，至20世纪90年代初，历时10年获得成功，非晶变压器开始了真正的规模化、商业化经营。

自美国开创并发展到中国、日本、印度、韩国等世界各国起，非晶合金材料制成的变压器已被各国列为节能环保产品。国际能源署（IEA）2001年在推广节能配电变压器行动建设材料中已将非晶合金变压器列为节能配电变压器首选品种。近年来国际上已将非晶合金变压器列为节能配电变压器的首选、列为改变大气热污染的战略措施之一，从而推动了该产品的应用。近年来，几万台非晶变压器在网上正常运行，证明了它的可靠性及经济性，得到了人们的共识。

至今，非晶变压器规模化生产已近20年，目前在全世界范围内被广泛推崇，其中美国、加拿大、墨西哥、日本、印度、韩国等国家和中国台湾地区均有大量非晶合金变压器在挂网运行。特别是在日本，政府鉴于节约能源对国家发展的重要性，从2000年开始逐步提高非晶合金变压器的上网比例，到2005年时已规定所有新增配电变压器必须使用非晶合金变压器，在配电领域彻底淘汰相对高耗能的硅钢变压器。

我国很早就开始了非晶节能变压器的研制工作。1986年5月，上海钢铁研究所与宁波变压器厂合作，用该所研制的非晶合金带材试制出国内第一台单相3kV·A非晶合金变压器。1995年8月，根据三委三部“促进非晶配电变压器在中国应用”工作小组的决定，委托沈阳变压器研究所根据美国联信公司非晶合金带材性能统一设计，组织了天津、上海、北京、佛山、辽阳和保定等六个变压器厂，试制出SHll-160kV·A、200kV·A、315kV·A、500kV·A四种规格共六台样机，并通过国家鉴定。1998年2月，上海置信公司引进美国GE公司的非晶变压器制造技术，开始了我国非晶合金变压器的规模化生产时代。目前，除置信电气以外，我国其他知名变压器生产企业，如顺特电气、江苏华鹏、特变电工、杭州钱江电器、天威保变、西变、天津特变等均掌握了非晶合金变压器的生产技术。非晶合金带材的国产化使我国形成了从带材生产、铁芯加工到非晶合金变压器制造的完整产业链，这就为国网公司大规模推广非晶合金变压器提供了有利的条件。2010年南方电网已经开始对非晶合金变压器招标。

非晶合金配电变压器在制造工艺上具有特殊性，其技术门槛是一般企业较难掌握的。首先，非晶合金带材的质量要求高。非晶合金带材硬度远大于硅钢片，同时厚度很薄，给切割和加工带来不便。另外，由于非晶合金的磁致伸缩系数比硅钢片高约10%，将导致非晶合金铁芯变压器噪声升高，需要进行退火处理，从而降低噪声。而退火处理关键点在于控制好退火温度和时间，否则会导致带材的晶化；并且，退火处理后的非晶合金材料易碎，对机械应力非常敏感，在制作工艺上还需要采取特殊紧固措施。其次，非晶合金配电变压器的铁芯制作工艺也较为复杂。要通过下料、冲剪、叠装、固定成型、检测、磁场热处理、冷却、涂胶、再检测等众多环节。其中，磁场热处理属于核心技术，要通过磁场热处理装置使磁畴定向后才能减少非晶合金带材的应力，最终起到降低损耗的效果。最后，在组装变压器时，需要打开铁芯的下铁轭接缝，套入绕组，再重新闭合接缝。这一开一合，需要设计水平和工人的熟练经验，否则可能导致铁芯的缝隙过大，增加接缝的磁阻，最终增加空载损耗和变压器的噪声。

随着国内用户对非晶合金变压器提出越来越高的要求，产品制造企业也不断地推出更多类型的新产品。针对国内用户需求，非晶合金变压器制造商已开发出包括20kV、35kV的适合各种环境应用的产品。而且，近年来国内企业又相继开发出适合风电、太阳能等新能源专用的非晶合金变压器。此外，在降噪方面，国内企业已经形成了一套完整的非晶合金变压器降噪加工工艺，使我国非晶合金变压器的生产技术达到国际领先水平。以上海置信电气公司为例，经过近十年的发展，已经开发的品种有非晶合金油浸配变、非晶合金地埋变、非晶合金欧变等，共有40多个系列、350多个规格。

非晶合金铁芯配电变压器，空载损耗相比硅钢片变压器大幅下降，节能效果明显，而且其全寿命期的综合成本也低于传统的变压器，经济效益良好。由于非晶合金变压器采用了新材料和新技术，工艺复杂，因此其产品价格较传统变压器高，一般比同型号传统变压器高30%～55%，相对于业内具有一定品牌和服务优势的ABB等企业的硅钢片变压器，其综合成本也大概要高20%。但由于其节能效果显著，运营成本较低，所以其综合成本较传统变压器低。国外许多国家对非晶合金铁芯变压器从不同角度的研究，包括使用寿命的加速老化、现场运行和特殊试验证明：非晶合金变压器在30年寿命期内，其空载特性稳定，不存在运行中空载损耗有所变化的情况，有较高的可靠性。

安泰科技股份有限公司（简称安泰科技）非晶合金带材量产的实现，打破了日立金属的市场垄断地位，有利于国内市场的快速启动。据专家估算国内非晶合金变压器市场容量上千亿元，随着上游原材料的量产、下游非晶合金变压器技术的成熟以及国网公司的积极推进，非晶合金变压器市场将迈入高速增长期。

（3）非晶电机产业分析

随着科学技术的发展，很多应用领域对电机转速的要求越来越高，例如高速电机主轴、高速离心机、高速红外扫描仪、高速飞轮储能等领域。电机的转速与电机铁芯内的电磁频率成正比，所以要实现电机的高转速，必须提高电机的频率。还有一些应用领域要求电机具有高功率密度，比如飞机螺旋桨和燃油泵的驱动电机、雷达和天线的驱动电机、鱼雷和机器人的驱动电机等。电机的功率密度和电机铁芯内的磁通密度Bm与电磁频率的乘积成正比，但是受软磁材料饱和磁感应强度Bs的限制，要大幅度提高电机的功率密度也必须提高电机的频率。然而，电机定子铁芯的总损耗又与频率的1.3～1.5次方成正比。当电机的工作频率从50Hz提高到500Hz时，假设磁通密度Bm不变，电机的铁损不是增加10倍，而是增加200多倍。因此随着频率的升高，硅钢电机铁芯的损耗将变得非常严重，直接导致电机效率显著下降，甚至造成电机的过热损坏。在电机的工作频率范围内，Fe基非晶合金的损耗可降低为硅钢的1/5～1/3，因此使用非晶合金做电机铁芯可显著提高电机效率。在工频或更低频率下，电机铁损占总损耗的比重不大，而且非晶合金的Bs值低于硅钢，所以使用非晶合金替代硅钢意义不大；然而在几百赫兹以上电机铁损明显升高，使用非晶合金铁芯对于降低电机铁损和铁芯的温升变得意义重大。Fe基非晶合金除了低损耗的优势外，还具有硅钢几倍的磁导率，所以可以在很大程度上降低电机的励磁电流，进而降低电机的铜损。此外，在相同的励磁磁场强度下，硅钢铁芯的磁通密度Bm会随着频率的升高而迅速下降，然而非晶合金铁芯的磁通密度Bm随着电磁场频率升高而下降的幅度很小，基本可以忽略不计。可见，在较高的频率下使用非晶铁芯比硅钢铁芯更具优势。综上所述，非晶合金应用于电机的定子铁芯可以显著降低电机的损耗，提高电机效率，尤其对于高频下工作的高转速或者高功率密度电机更能发挥出显著优势。

国外从事非晶电机研发的公司主要有日本日立（Hitachi）公司和美国莱特（LE）公司。日立金属在电机生产方面拥有悠久的历史和先进的技术，而且是当今世界上最大的非晶合金材料制造商。聂尊誉在2009年2月28日《功能材料》的科技信息中报道：日立公司运用在非晶变压器开发过程中所积累的技术，已经解决了非晶带材薄、脆且硬难于加工的难题，并且制备出了铁芯使用非晶金属而不使用钕和镝等昂贵稀有金属的电机，该电机的效率可达86%，比普通电机提高了约5个百分点。但是，日立公司仍没有非晶电机商品进入市场，表明他们的非晶电机产品尚未完全成熟。

目前， 美国莱特技术股份有限公司（Light Engineering Inc.， LE） 是世界上唯一一家已经将非晶电机推入产业化的公司。LE自1996年开始研究非晶定子在电机中的应用，至今已申请美国专利近20项，其中部分也在中国申请了专利。从这些专利可以看出该公司在非晶合金应用于双定子轴向气隙永磁同步电机方面已经掌握了世界上最先进的技术。LE生产的非晶电机均为轴向永磁电机，其工作原理是三相交流定子电枢绕组产生一个圆形旋转磁场，转子以同步转速旋转。对于非晶定子铁芯的加工，LE的加工方法是首先将非晶带材卷绕成固定尺寸的三维环形铁芯，再进行退火、浸漆、固化处理，最后通过铣削的方法制成定子铁芯。电机的转子由非磁性的轴结构材料和NdFeB永磁材料组成。LE通过提高非晶电机极数和频率以及优化SPP值和控制等手段，使其生产的非晶电机具有高效率、高转矩和高功率密度、低转矩脉动和可利用变频高精度调速等优势。

在国内，安泰科技借助非晶节能材料的产能优势，通过多年的非晶电机研发工作，也取得了一定的成果。笔者所在的课题组研究了铁基非晶合金在高速电机定子铁芯方面的应用，使用带材切片、轴向叠压、整体退火、浸漆固化、切割成型的工艺路线已经成功制备出了各种形状复杂的径向磁场非晶定子铁芯，并且该定子铁芯应用于高速电机展示出了良好的性能（图5-10）。

（4）其他电力电子器件

如前所述，非晶节能电力电子器件的种类多、用途广。由于这些电力电子器件大多尺寸不大，对带材宽度要求不高，技术难度低，投资小，所以发展较早，而且推广也较普及，是国内众多中小非晶节能材料生产企业的主要市场。

5.1.2.5　非晶合金产业资源现状分析

与传统冶金行业相比，非晶合金带材的生产工艺具有喷带一次成型，流程短、工艺简单、节约能耗的特点，生产过程减少了“三废”的排放。由于其生产过程周期更短、更节能、更环保的优点，因此，快速凝固工艺的发明被誉为冶金工艺的一次革命。

非晶合金带材生产过程中，钢液经过喷嘴细缝到达铜辊表面冷却即形成最终的成品，质量不合格产品也很难进行后续加工弥补，生产周期短。生产工艺的特点决定了其产品质量控制需要在极短的时间内完成，生产工艺波动极易造成设备损坏和生产中断，严重影响产品质量和生产效率。因此，生产设备精度要求高，控制难度大。另外，由于非晶节能材料的微观结构和性能对杂质元素含量非常敏感，原材料选择和生产过程中的杂质含量控制要求严格。

国内非晶节能材料生产企业除安泰科技的设备实现实时检测和在线控制，设备自动化水平和控制精度较高外，其他大部分企业的设备简易，有的甚至没有基本的工艺参数检测装置和杂质含量控制、产品质量评价体系，生产控制和检测完全依赖工人的经验判断。

非晶节能材料产业对物质资源的需要主要体现在高精度设备保障，杂质含量准确控制的原材料供应，高品质耐火材料等生产耗材供应等方面。受限于中国加工、制造业整体水平和国外的进出口限制，国内无法成套采购高水平非晶节能材料生产线及其关键零部件。安泰科技依靠企业自身多年的研究经验和强大的人才队伍，自行研发了自己的生产线，虽然整体与日立还有差距，但是已明显领先于国内其他生产企业。装备水平的进一步提升依然是非晶节能材料产业发展需要解决的一大问题。原材料供应方面，目前整个行业尚缺乏统一的杂质控制标准，各供应商供应的原材料杂质含量差别很大，且价格差别很大。耐火材料是非晶节能材料生产用的有限的几种耗材之一，其质量直接影响生产工艺的稳定性和产品质量，由于非晶节能材料的合金成分和生产工艺特殊性，喷嘴材料、感应熔炼用坩埚耐火材料、除渣保温材料、中间包耐火材料、塞杆用耐火材料等都需要进行针对性改良和设计，目前国内在这方面的研究大多是借鉴钢铁等传统冶金行业，缺乏系统性和针对性。

能源方面，与其他冶金行业相比，非晶节能材料的生产过程生产工艺短，能源消耗量少，且只消耗电力资源，不涉及煤、天然气等物质能源，无污染物排放顾虑。但是，非晶节能材料仍然属于冶金行业，生产过程涉及母合金熔炼、二次熔炼等高耗能过程，投资该产业前需考虑电力保障。另外，由于非晶节能材料产业远不能算成熟，各企业的生产工艺差别较大，生产工艺依然存在很大的改善空间，单位能耗仍然有很大改善空间。

人力资源方面，非晶节能材料产业属于高科技含量产业，涉及冶金、金属材料、机械自动化、耐火材料、电气工程等众多领域，本身对人力资源要求较高。另外，由于国内除安泰科技外大部分企业设备水平较低，工艺参数检测、杂质含量控制、产品质量评价和设备维护保养等都对工人的经验有很高的要求。安泰科技非晶产业的技术来源是国家非晶微晶合金工程技术研究中心，该中心凭借多年积累起来的技术、人才优势成为安泰科技的人力资源保障。但是，由于国内开展非晶节能材料应用研究的高校和研究机构较少，人才培养模式比较单一，产学研结合不够密切等原因，非晶节能材料产业需求的专业技术人才和管理人才资源极为匮乏，各企业为了解决眼前的困难，常依靠临时引进的熟练工人，没有合理的人才培养和培训体制，已经明显制约了产业的发展，并将在相当长的时间内制约产业的发展。

5.1.2.6　非晶合金产业地位分析

目前，我国年均生产配电变压器2.4亿千伏安，如30%改用非晶材料，年生产非晶变压器为7200万千伏安。以每台变压器500kV·A为例，年产非晶变压器14.4万台，这将降低变压器空载损耗13万千瓦，一年可节约电11.4亿千瓦时，相当于节约煤43.3万吨，减少燃煤有害气体1.1万吨。因此，非晶合金变压器的市场空间在未来的几年内将会高速扩容。

（1）对经济建设的推动作用

中国政府在2009年9月的联合国气候变化峰会上提出争取到2020年，中国的单位国内生产总值二氧化碳排放（碳排放强度）比2005年显著下降，这是中国节能减排政策的一个质变。随着工业化、城镇化加速发展，配电系统中节能降耗已是势在必行。电力系统中电力变压器的损耗占比突出。因此，非晶合金铁芯变压器必然是建设“环境友好型社会”的首选产品，其市场拓展空间巨大。非晶纳米晶软磁材料是有着远大发展前景、正在茁壮成长、其地位和影响力趋于上升的产业，对于推进产业结构升级和经济发展方式转变，提升自主发展能力和国际竞争力，促进经济可持续发展具有重要意义。

非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料——非晶合金制作铁芯而成的变压器，它比硅钢片做铁芯变压器的空载损耗（指变压器次级开路时，在初级测得的功率损耗）下降80%左右，空载电流（变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流）下降约85%，是目前节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方。非晶合金变压器是配电网节能降耗的关键设备。变压器损耗约占配电网损耗的30%～60%，其中空载损耗约占变压器总损耗的50%～80%。非晶合金变压器比传统硅钢变压空载损耗下降约80%；配电网中特别是农网中很多变压器的负载率低于20%，因此使用非晶合金变压器替代传统高能耗变压器，节能效果显著。如北京某城区供电公司配网运行592座开闭站（配电室、箱变），运行变压器为1131台，总容量90.6万kV·A。运行变压器多为S7/S8/S9 类型，运行负载率在10%以下的为79台，约占7%；运行负载率在10%～50%的为1014台，约占89.7%；负载率在50%以上的为38台，占3.4%，整体负载率低，变压器空载损耗大。农网配电变压器更低，大部分都低于20%，因此如果采用非晶合金变压器，可显著降低变压器空载损耗，降低线损并提高经济效益。

（2）对环境保护的推动作用

因能源资源具有无法重复使用及消耗后不能再生的特性，所以能源资源只会愈来愈少，这就导致电价愈来愈高。且因全球二氧化碳排放愈来愈高，形成的温室效应使全球气候异常，气候反常对人类的影响也日趋明显。作为新一代名副其实的绿色环保重点产品，它可带来少建电厂，减少温室气体排放，大大地减轻对环境的直接污染等良好的环保效益。非晶质铁芯变压器符合国家倡导的“节约资源，保护环境，建设节约性社会”的产业政策，发展正逢其时。

非晶合金铁芯配电变压器的最大优点是，空载损耗值特低。非晶合金变压器若能完全替代新S9系列配变，如10kV级配电变压器年需求量按5000万千伏安计算时，那么一年便可节电100亿千瓦时以上。同时，还可带来少建电厂的良好的环保效益，少向大气排放温室气体，这样会大大地减轻对环境的直接污染，使其成为新一代名副其实的绿色环保产品。

就SCBH15-1250非晶合金变压器与相同容量常规变压器举例说明。投资回报年限=设备差价/年运行电费差价。目前一台SCBH15-1250非晶合金变压器与相同容量相关常规变压器的差价为59000元，每年平均理论经济效益为13122元，则投资回报年限为N=59000/13122=4.5（年）。一般非晶合金变压器销售价格为常规变压器的1.3倍，投资回报年限为4.5年。

非晶合金电机在效率上比传统电机有了很大的提升，但是在电机体积和重量上却大大减小，从而极大提升了能源和资源的利用率。非晶合金电机未来将是替代传统电机的下一代高效电机，前景一片光明。

以我国2009年发电量为36506亿千瓦时计算，其中近70%电力都要通过电机转换为机械能应用于生产生活中，目前我国传统电机的效率平均仅为50%左右，即12780亿千瓦时的电力在转化过程中被白白地损失，如果全国10%的电机应用非晶合金电机可以节约1200亿千瓦时发电量，约相当于1.5个三峡水电站的年发电量（2009年三峡发电站的年发电总量为846.8亿千瓦时），同时非晶合金电机可减少60%钢材使用量、50%的铜材使用量。

（3）对新基建的推动作用

新基建中，5G基站、光伏逆变器、轨道交通变压器、新能源汽车及充电桩、大数据中心变电站以及特高压控制柜等关键配套设备或者元器件对非晶合金材料有重大需求。

5G关键电感要求容量范围大、体积超小、额定电压高、高频特性好等特性。5G基础建设带来被动元件需求的增加。5G的高传输速度和广覆盖将需要搭建更多更复杂的基站，带来非晶合金材料制作的电感需求的攀升。5G基站功率放大器需要实现更大的输出功率和更高的工作频率，对相关器件成本材料的需求增大。而在介质滤波器和表面声波滤波器方面，随着频率的提升和精度要求的提高，器件设计将转向新型材料的支撑。更多指标显示，非晶合金材料符合这些器件的功能要求。

城市轨道交通动力照明负荷率较低，非运营时间接近空载，非晶变压器通过挂网实测，能大大降低供电系统的自损耗。非晶干式变压器有着明显的节能优势，噪声满足规范要求，不影响推广应用，尺寸和重量不影响建筑规模及安装，寿命比硅钢变压器更长，综合经济效益非常可观。根据城市轨道交通牵引负荷的特点，非晶变压器作为整流变压器应用于城市轨道交通，节能前景较为广阔。2019年，上海地铁1～17号线设计使用了“35kV干式非晶合金牵引整流变压器”，该变压器可持续使用30～40年，比原先节能70%。另外，北京地铁8号线、燕房线实际工程中完成了示范应用。其他城市如广州、南京、成都等城市轨道交通均把非晶变压器作为首选。

目前新能源汽车单车粉芯模压电感用量平均已经超过1000只，高端汽车的用量则达到10000只/辆，且仍在继续增长。非晶和纳米晶材料由于其特殊的结构和优异的综合软磁性能，主要用途是制造各类中高频变压器、高性能电感和滤波器、高精度电磁测量和传感器，以及高性能电磁屏蔽和吸波材料等。电动汽车的电驱动系统、电控系统、充电系统以及充电桩用到大量的磁性器件，非晶和纳米晶合金是目前最为理想的软磁材料。特斯拉Modle3单车非晶等模压电感用量约为9200只，Modle S和Modle X的单车用量均在10000只以上。

2020年全国规划建设1.2万个充电站和480万个充电桩。充电站位于商业中心、行政中心、居民中心等人员密集地方，充电站的需求对所用变压器提出了新的要求，所用干式变压器（简称干变）需要更环保、更安全、更可靠和体积紧凑。非晶立体卷铁芯敞开式干变具有低损耗低噪声、防火防爆、过负荷能力强、体积小、谐波滤除效果好等特点，相比传统干变更适合新能源汽车充电站的使用要求，具有广阔的发展前景。

大数据中心能够为经济高质量发展提供坚实的“数字底座”。绿色数据中心更是这个时代的呼唤，建设高等级绿色、节能环保的新一代数据中心更是IT人不懈的追求和目标。数据显示，机房电费占据IDC总成本的一半。百度在山西阳泉建立数据中心，建设团队选择采用了非晶合金变压器；京东的第一个自建数据中心在江苏宿迁总投资30亿元，建设团队选择采用了非晶合金变压器，与普通干式变压器技术参数相比较，空载损耗下降65%～70%。