(报告出品方/作者:国金证券,倪文祎)
一、磁性材料基本概念与分类
磁性材料是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等组成的能够直接或间接产生磁性的物质。实验表明,任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化,只是磁化的程度不同。根据物质在外磁场中表现出的特性,物质可分为五类:顺磁性物质,抗磁性物质,铁磁性物质,亚铁磁性物质,反铁磁性物质。
顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质,铁磁性物质、亚铁磁性物质称为强磁性物质。通常所说的磁性材料一般是指强磁性物质。磁性材料按使用可以分为:
永磁材料:又叫硬磁材料,是指难以磁化并且一旦磁化之后又难以退磁的材料,其主要特点是具有高矫顽力,包括稀土永磁材料、金属永磁材料及永磁铁氧体。
软磁材料:可以用最小的外磁场实现最大的磁化强度,是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化,也易于退磁。例如:软磁铁氧体、非晶纳米晶合金。
功能磁性材料:主要有磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光材料以及磁性薄膜材料等。
永磁材料的主要磁性能指标:剩磁感应强度(Br)、矫顽力(Hcb)、内禀矫顽力(Hcj)、最大磁能积(BH)max。除磁性能外,永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等;机械性能则包括维氏硬度、抗压(拉)强度、冲击韧性等。
剩磁感应强度(Br):永磁材料在外磁场中充磁到饱和后,当外磁场为零时,永磁材料所具有的磁感应强度值。此项指标数据直接关系着电机中气隙磁密的高低。磁感应强度值越高,电机的气隙磁密将可能较高,转矩常数、反电势系数等电机的主要指标将达到最佳值,电机的电负荷和磁负荷的取值关系才可能最合理,效率才能达到最佳。矫顽力(Hcb):永磁材料在饱和磁化的情况下,当剩磁感应强度Br降到零时所需要的反向磁场强度。此项指标与电机的抗退磁能力即过载倍数和气隙磁密等指标相关。Hc值越大,电机的抗退磁能力越强,过载倍数越大,对强退磁动态工作环境的适应能力越强。同时电机的气隙磁密也会有所提高。
最大磁能积(BH)max:永磁材料向外磁路提供的磁场能量的最大值。此项指标与电机中永磁材料的用量直接相关,BHmax越大,预示着该种永磁材料对外磁路能提供的磁场能量越大,即在相同功率情况下电机中使用的永磁材料越少。
内禀矫顽力(Hcj):是指当剩余磁化强度M降到零时的磁场强度值。退磁曲线上B=0时对应的Hcb值仅表示永磁体此时不能够向外磁路提供能量,并不代表永磁体自身不具备能量。但当M=0时对应的Hcj值却表示此时永磁体已真正退磁,自身已完全无磁场能量储存。内禀矫顽力的大小与永磁材料的温度稳定性密切相关。内禀矫顽力越高,永磁材料的工作温度才可能越高。
软磁材料的主要磁性能指标:初始磁导率、矫顽磁力和磁滞回线、电阻率、磁感应强度、磁芯损耗、稳定性等
初始磁导率高:高初始磁导率是软磁材料的基本要求,理论和实践证明,降低软磁材料的杂质浓度,提高密度,增大晶粒尺寸,结构均匀化,降低磁滞伸缩系数,消除内应力和气孔的影响是提供初始磁导率的充分条件,这些都与配方的选择和工艺条件密切相关。
很小的矫顽磁力和狭窄的磁滞回线:软磁材料的基本性能要求是,能快速的响应外磁场的变化,这要求材料具有低的矫顽磁力Hc值,数量级为10^-1~10^2A/m。软磁材料的反磁化过程主要是通过磁畴壁的位移来实现的,因此材料内部应力起伏和杂质的含量与分布成为影响矫顽磁力的主要因素。矫顽磁力低表示磁化和退磁容易,磁滞回线狭窄,磁滞回线包围的面积小,在交变磁场中磁滞损耗就小。
电阻率高:磁芯相当于一匝线圈,在交变磁场中会感应产生电动势,这个感应电动势在磁芯中产生感应电流,如果磁芯的电阻率低,则感应电动势和感应电流就大,在磁芯中产生的损耗就大,这个损耗称为涡流损耗,频率越高,感应电流就越大。电阻率升高有利于降低损耗及提高磁芯的工作频率,减小磁芯的体积和质量。
具有较高的饱和磁感应强度Bs:如果磁感应强度Bs高,则相同磁通Φ需要磁芯截面积A较小,磁性元件体积小。低频时,最大工作磁感应强度受饱和磁感应强度限制;但在高频时,主要是损耗限制了磁感应强度的选取,磁芯未必饱和,是绝缘材料的温度极限限制了损耗的大小。
磁芯损耗:软磁材料多用于交流磁场,因此动态磁化造成的磁损耗不可忽视。动态磁化所造成的损耗包括3部分,即涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗。随着交变磁场频率的增加,软磁材料的动态磁化所造成的磁芯损耗增大。
稳定性:要求软磁材料不但要高磁导率和低损耗等,更重要的是高稳定性。软磁材料的高稳定性是指磁导率的温度稳定性要高,减落系数小,随时间老化要尽可能小,以保证长期工作于恶劣环境。影响软磁材料工作的因素有低温、潮湿、电磁场、机械负荷和电离辐射等,在这些因素影响下,软磁材料的基本特性参数会发生变化,从而导致性能的变化。
磁性材料主要的特性是具有磁滞回线,软磁与硬磁材料的主要区别在于矫顽力的高低不同,实质上也就是材料的磁滞回线所包含面积的大小不同。矫顽力高的材料,回线包含的面积大,其磁储能就高。一般软磁材料的磁滞回线很窄,矫顽力在A/m以下,而硬磁材料的磁滞回线很宽,矫顽力在0A/m以上。
磁性材料的研究和制备开始于20世纪初,以永磁材料和软磁材料为例。在近百年的时间里,磁性材料的发展方向形成了两个极端,即尽可能追求实现材料更高或更低的矫顽力。(报告来源:未来智库)
二、永磁材料:高矫顽力、高剩磁强度,电机领域核心材料
永磁材料又称恒磁材料或硬磁材料,指的是磁化后去掉外磁场,能长期保留磁性,能经受一定强度的外加磁场干扰的一种功能材料。永磁材料具有宽磁滞回线、高矫顽力和高剩磁的特性,具备转换、传递、处理、存储信息和能量等功能,应用范围广泛,如电声、选矿、能源、家用电器、医疗卫生、汽车、自动控制、信息技术等领域对永磁材料有着不可替代的需求。
根据永磁材料的磁性强弱以及发展阶段,永磁材料分为金属永磁、铁氧体永磁和稀土永磁三类。
2.1金属永磁:初代永磁合金,应用于电气仪表等特殊领域
金属永磁材料发展和应用较早,是以铁和铁族元素为重要组元的合金型永磁材料,又称永磁合金,主要有铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金和铂钴系永磁合金等。
铝镍钴系永磁合金
年,日本材料专家Mishima发现了一种特定成分的AlNiCo合金(58%Fe,30%Ni,12%Al),其矫顽性极高,是当时最好的磁性钢的两倍。在年代发现稀土磁铁之前,AlNiCo合金是最强的永久磁铁材料。
AlNiCo永磁具有剩磁高、居里温度高且剩磁温度系数小的优点,即使在温度高达℃的工作环境还能使用,因温度变化而发生的永磁特性的退化也较小,但是矫顽力低,质地硬而脆,加工困难,多用于电气仪表和通讯机器等要求高可靠性的领域中,更是军工产品上常用的永磁材料。
铁铬钴系永磁合金
FeCrCo是20世纪70年代问世的变形永磁合金,含有20%-33%铬、3%-25%钴、3%钼或0.7%-1.0%硅。具有优良的磁性能及可加工性,可进行冷热塑性变形,磁性类似于铝镍钴系永磁合金,并可通过塑性变形和热处理提高磁性能。
FeCrCo合金可以进行机加工、深冲压、拉拔等,生产出不同规格的细丝、薄带,用于制造各种截面小、形状复杂的小型磁体元件,例如电话受话器、扬声器、转速表和磁滞电机等。
铂钴系合金
PtCo永磁合金在所有可加工永磁合金中具有最高的矫顽力和较高的磁能积,合金的成分为:Pt76%,Co24%,是以铂为基含钴的二元合金。PtCo合金磁性极强,磁稳定性较高,耐化学腐蚀性很好,氢氧化钾和热浓硫酸都不能将其腐蚀,可在酸、碱、盐介质下工作,由于其价格昂贵,因此主要用于其它永磁材料无法工作的恶劣、特殊环境之中。
PtCo合金的高塑性使它有利于制造任何形状和尺寸的微型器件,极低的温度系数可以使它应用于较高温度的环境下,出众的耐氢性更是其获得特殊应用的优势所在,该合金主要用于航天、航海、航空仪表,计测仪,电子钟表,磁控管等。
2.2铁氧体永磁:性价比高、原料丰富、工艺简单、应用领域最广泛材料
铁氧体永磁是指具有单轴各向异性的六角结构的化合物,以Fe2O3为主要组元的复合氧化物永磁材料。其原料价格便宜,而且生产工艺相对简单,所以其成品价格较其它磁铁而言相对低廉。铁氧体永磁是第二代永磁材料,年日本Kato和Takei发现了含Co的铁氧体Fe2O3,盛行于50-80年代。
铁氧体有各相同性和各向异性两个系列,根据模压成型工艺不同,各向异性铁氧体又有干压与湿压之分。按主要成分分类,铁氧体永磁主要分为钡(Ba)铁氧体和锶(Sr)铁氧体两种。钡铁氧体是目前市场用量最大、用途最广的永磁材料。
在铁氧体磁场成型工艺中,湿压成型是将二次球磨后的浆料直接臵于模具中,在加压成型时,同时施加一定方向的强磁场,便单畴晶粒的易磁化轴沿外磁场方向排列一致。压型时同时要用泵抽去水分,且上下冲头处需垫片防止抽出浆料,成型后再干燥。
湿压成型由于浆料水分多,晶粒能在成型过程中自由转动,便于晶粒取向,因而磁性能好,Br大Hcb高。但成型时要垫片、抽滤,生产效率低。干压成型是将二次球磨后不含水分的全干粉加入适量的粘合剂,臵于成型磁场中加压成型。干压成型磁场取向稍差,磁性能比湿压成型差。
铁氧体永磁是目前应用最广泛的永磁材料。与其他永磁材料相比,尽管铁氧体永磁材料在性能方面不占优势,但由于其原料丰富、价格低廉、制备工艺简单、抗氧化性优异、剩余磁化强度大等特点在很多领域依然是首选材料。
铁氧体永磁与钕铁硼永磁(属稀土永磁)均有在汽车上使用,但由于加工工艺、成本的不同使得应用领域不同;部分国内变频空调压缩机厂商同时具有钕铁硼和铁氧体技术平台,但铁氧体和钕铁硼并不能在同一平台上直接替代,不同材料应用的电机设计完全不同。
铁氧体优点在于原料来源丰富,性价比高,化学稳定性优异,不需表面处理,耐高温。自钕铁硼产品问世至今,铁氧体磁性材料也快速发展,钕铁硼产品和铁氧体产品将是长期共存、持续发展的格局。
目前,铁氧体永磁材料主要应用在电动机、发电机、电子和微波设备、声波设备、信息储存、移动通讯等方面。其中常见的用途主要有:电视机和收音机等电子声像设备的喇叭、音响、听筒的扬声器;汽车挡风玻璃刮水器电机、家电电机以及其他电动工具的小型电机;通讯设备的微波通讯器件、笛簧接点元件等;微波炉的磁控管等。
高性能永磁铁氧体湿压磁瓦是下游微特电机的核心部件,广泛用于汽车、家电等行业。
高性能永磁铁氧体是指高剩磁、高矫顽力、高磁能积的湿压永磁铁氧体。永磁铁氧体湿压磁瓦作为下游微特电机的核心部件,广泛应用于汽车、家用电器等行业。
永磁铁氧体行业发展与微特电机行业的发展存在正相关的关系。在现代经济中,电机是消耗能源的主要载体之一,提高电机的效率显然是一个行之有效的节能措施。永磁电机是典型的高效、节能低碳工业产品,广泛用于各类工业传动和转动装臵。
国内永磁铁氧体产能分散,行业集中度低
根据中国电子材料行业协会磁性材料分会统计,全球铁氧体永磁生产企业主要分布在中国、日本、韩国,日本主要包括日立、TDK株式会社等;韩国主要包括双龙、韩国太平洋等。我国铁氧体永磁产量约占全球75%以上,生产企业主要分布在江浙、广东、安徽、四川地区。
我国铁氧体永磁材料生产企业有余家,其中年生产能力在0吨以下的企业占45%左右,0-吨的企业占25%左右,-0吨企业约占21%,00吨以上的企业约20家,约占9%。
从全国范围看,随着近些年国家环保政策不断出台,行业面临着洗牌,大量的小企业因为环保要求不合格而退出,供给端大部分公司无新增产能规划,产品升级淘汰落后产能,随着国内企业技术的进步,进口替代、高端国产化将带来行业集中度的提升。
国际巨头技术领先,聚焦高性能产品
高性能永磁铁氧体湿压磁瓦全球产能约为45万吨,75%以上的产能在国内,但行业集中度不高,国内约有多家生产企业,但产能在1万吨以上的企业不到10家;另外25%的产能在日本和韩国,日本TDK是规模最大的永磁铁氧体磁瓦生产厂家,也代表了行业最高的技术水平。
随着国际制造产业的转移和国内企业技术水平的提升,我国永磁铁氧体行业逐渐缩短了与国外先进水平的差距,国际竞争力显著增强,主要代表企业有横店东磁、领益智造和龙磁科技等,以中国为代表的新兴工业化国家永磁铁氧体行业市场竞争力不断增强。
2.3稀土永磁:“现代永磁之王”第三代钕铁硼性能优异、需求空间广阔
稀土永磁材料是一类以稀土金属元素RE(Sm、Nd、Pr等)与过渡族金属元素TM(Fe、Co等)所形成的金属间化合物为基础的永磁材料。稀土永磁材料是最为重要的磁材产品之一,自20世纪60年代问世以来,已有三代产品实现量产和应用,第四代稀土铁氮永磁产品处于研发阶段,未来可能将成为新一代稀土永磁产品。
第一代钐钴稀土永磁为年美国发明的SmCo5。SmCo5具有很高的磁晶各向异性常数,其理论磁能积可达.9kJ/m3。20世纪70年代,SmCo5永磁体已经实现商品化,因其含较多战略金属钴和储量较少的稀土金属钐,原材料价格昂贵,故发展前景受限。
第二代钐钴稀土永磁为年日本发明的Sm2Co17。Sm2Co17在高温下是稳定的Th2Ni17型六角结构,在低温下为Th2Zn17型的菱方结构。基于其独特的优良的磁稳定性、高温磁性能、优异的抗氧化及抗腐蚀性,仍被广泛应用于航空航天、国防军工、高端电机等领域。
第三代钕铁硼永磁材料为年美国、日本发明的Nd2Fe14B。稀土永磁钕铁硼(Nd2Fe14B)合金稀土元素约占25%-35%,铁元素约占65%-75%,硼元素约占1%。钕铁硼永磁的研发成功意义重大,它不仅具有惊人的优异性能、创纪录的高磁能积,而且它还以价格底廉、储量丰富的铁和钕取代了昂贵的战略物资钴和资源稀缺的钐,被誉为“现代永磁之王”。
第四代稀土永磁为铁氮合金,仍处于研发阶段。稀土铁氮磁粉最大磁能积是20-40MGOe,高于钕铁硼磁粉,稀土铁氮新材料与市场现有磁性材料钕铁硼相比成本较低,主要原因是磁粉中稀土相对含量少,同时无需掺杂钴等价格昂贵的金属。第四代稀土永磁材料形成成熟工艺走向实用至少还需几十年。
钕铁硼永磁可分为烧结钕铁硼、粘结钕铁硼和热压钕铁硼三种
烧结钕铁硼是钕铁硼中产量最大、应用最为广泛的产品。烧结钕铁硼永磁材料采用的是粉末冶金工艺,熔炼后的合金制成粉末并在磁场中压制成压胚,压胚在惰性气体或真空中烧结达到致密化,为了提高磁体的矫顽力,通常需要进行时效热处理,再经后加工及表面处理后获得成品。目前已商业化生产的烧结钕铁硼,剩磁最高可达1.45T以上,内禀矫顽力最高可达kA/m,工作温度根据矫顽力的不同在80℃-℃之间。
粘结钕铁硼是将永磁体粉碎后与粘接剂混合,在磁场中压制成型,它有着成本低、尺寸精度高、形状自由度大、机械强度好、比重轻等优点。粘结钕铁硼磁体由于大量加入了粘接剂,其密度一般只有理论上的80%,因此在磁性能上弱于烧结钕铁硼。粘结钕铁硼是各向同性磁体,各方向磁性相同,因此方便制作多极乃至无数极的整体磁体。
热压钕铁硼在不添加重稀土元素的情况下可实现与烧结钕铁硼相近的磁性能,具有致密高、取向度高、耐腐蚀性好、矫顽力高等优点,但机械性能不好,且由于专利垄断,加工成本较高。由于成型技术工艺限制,应用范围受到一定限制,目前主要用于汽车EPS电机等领域。
高性能钕铁硼的应用领域涵盖传统和新能源汽车、风力发电、电子设备、空调家电等。根据规定,内禀矫顽力(Hcj)和最大磁能积((BH)max)之和大于60的烧结钕铁硼永磁材料定义为高性能钕铁硼。低端钕铁硼主要应用于磁吸附、磁选、电动自行车、箱包扣、门扣、玩具等领域。
驱动电机是新能源汽车的三大核心部件之一,稀土永磁驱动电机具有尽可能宽广的弱磁调速范围、高功率密度比、高效率、高可靠性等优势,能够有效地降低新能源汽车的重量和提高其效率,需求刚性强。
风力发电机分为永磁直驱式、半直驱式和双馈异步式,其中永磁直驱式和半直驱式使用高性能钕铁硼磁钢。预计未来永磁直驱电机渗透率逐年提升,将持续带动风电领域对于高端钕铁硼永磁材料的消耗。
变频空调生产中大量使用高性能钕铁硼永磁材料替代铁氧体永磁材料,钕铁硼的渗透率快速上升。
钕铁硼永磁由于其高磁能积、高压实密度等优越特点,符合消费电子产品实现小型化、轻量化、轻薄化的发展趋势,因此被广泛应用于音圈电机(VCM)、主轴驱动电机、手机线性震动马达、摄像头、收音器、扬声器、耳机、数码伸缩镜头电机等诸多器件。
年至年,全球高性能钕铁硼永磁材料的消耗量从3.42万吨增至6.50万吨,年复合增长率达13.70%;预计至年,全球高性能钕铁硼永磁材料消耗量将达12.91万吨,预计年复合增长率达14.71%。
年至年,中国高性能钕铁硼永磁材料消耗量从1.94万吨增至4.05万吨,年复合增长率达15.86%;预计至年,中国高性能钕铁硼永磁材料消耗量将达8.71万吨,预计年复合增长率达16.55%。中国的高性能钕铁硼消耗量占全球的比重超过60%,且消耗量的年均增速将高于全球。
稀土是国家战略资源,行业政策推动高性能钕铁硼发展
稀土作为不可再生的战略资源受到国家高度重视。在所有稀土新材料中,稀土永磁材料是稀土下游价值最高的应用领域。
年3月,在国家出台的《“十四五”规划和年远景目标纲要》中,高端稀土功能材料作为高端新材料之一,被列入“十四五”制造业核心竞争力提升目录。
年11月,国家工信部、市场监管总局发布的《电机能效提升计划(-年)》,鼓励使用以稀土永磁电机为代表的节能电机,拓展高效节能电机产业链,扩大高效节能电机的绿色供给等。
年12月,国家工信部发布《重点新材料首批次应用示范指导目录(年版)》再次将“高性能钕铁硼”等稀土功能材料列入新材料重点领域中的“关键战略材料”,予以鼓励与扶持。
高端钕铁硼永磁制造工艺复杂,客户认证程序繁琐,具有较高的技术门槛和市场壁垒。在产业发展之初,日本、欧美等国在钕铁硼永磁材料的研发、生产和推广应用等方面一直位居世界前列,长期垄断高端市场,借助快速发展的市场需求,形成了日立NEOMAX、TDK、信越化学、德国VAC等数家竞争力极强的企业。
但随着国内企业的崛起,目前在高端产品市场形成了以中科三环、宁波韵升、正海磁材、金力永磁、大地熊、英洛华等为代表的国内领先企业与日立NEOMAX、TDK、信越化学、德国VAC等数家国际先进企业分庭抗礼的格局。目前国内绝大多数钕铁硼永磁材料生产企业规模较小、技术水平低、工艺设备落后,产品为中低端制品,同质化严重,竞争激烈。(报告来源:未来智库)
三、软磁材料:低矫顽力、高磁导率特性,电子器件核心材料
软磁材料是指矫顽磁力小、容易磁化与退磁的磁性材料。相较于永磁材料,软磁材料磁导率高,在较低的外部磁场强度下就可获得大的磁感应强度及高密度磁通量,同时矫顽力小,取消磁场后易退磁化,在实际应用中主要起到导磁作用,实现电路的电能参数变换,应用于变压器、继电器、电感铁芯、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩、电机定子转子等众多领域。
软磁材料经历了金属软磁—铁氧体软磁—非晶软磁合金—纳米晶软磁材料变迁。软磁材料的工业应用最早在19世纪末,伴随技术革新要求,软磁材料产品迭代更新,材料性能不断提升。目前软磁材料主要包括铁氧体软磁材料、金属软磁材料以及其他软磁材料。
3.1铁氧体软磁:技术成熟、中高频损耗低、广泛用于通讯领域
铁氧体软磁是以Fe2O3为主成分的亚铁磁性氧化物。由于软磁铁氧体在高频下具有高磁导率、高电阻率、低损耗等特点,且批量生产、性能稳定、机械加工性能高,可利用模具制成各种形状的磁芯,且成本较低,产品广泛应用于通信、传感、音像设备、开关电源和磁头工业等方面。
我国铁氧体软磁最常见的是锰锌铁氧体和镍锌铁氧体,分别占总产量的比重为70%和10%,此外,镁锌铁氧体占比为8%,锂锌铁氧体占比为6%。
锰锌铁氧体,具有最低的铁芯损耗、价格低廉、可加工性强、可选磁导率多(-),缺点是Bs相对较低,易碎;广泛应用于开关电源变压器、扼流圈、EMI滤波器,通讯领域宽带、脉冲变压器等。镍锌铁氧体是一种高频、宽带铁氧体材料,具有高电阻率、高阻抗、高磁通密度和低损耗等特点,广泛用于变压器、扼流圈、DC-DC变换器和抗EMI等磁芯。
目前我国铁氧体软磁主要用于通讯、家电及新能源领域。未来,软磁材料将重点应用在高端消费和工业电子、新能源、云计算、物联网、4G和5G通讯、电源供应器等新基建领域市场和新型消费电子领域。其目标是生产比例达到50%,产品合格率达到95%。未来市场研发方向为:
“两高”软磁材料:更高的饱和磁通密度(Bs),更高直流偏臵特性(DC-Bias),高μ10;
“两低”软磁材料:更低的损耗(低磁通密度下的损耗因子tgδ/μ<8,功耗Pc<kW/m3,℃,mT),更低的总谐波失真系数(THD);
适应5G等新基建领域的高频、低功耗、高功率密度材料;
宽温、宽频、低功耗软磁材料,更宽使用频率和更广温度范围;
稀土/纳米添加和精细化工艺以及复合材料技术成为材料开发和提高性能的新途径。
我国铁氧体软磁产量占全球60%,产能分散竞争激烈
目前铁氧体软磁材料生产主要集中在日本和中国,据统计,-年以来我国铁氧体软磁产量总体稳定,年生产接近21万吨,占全球总量的60%,国内软磁铁氧体产量优势明显。据统计,年我国软磁铁氧体市场规模约为85亿元,同比上涨8.97%。预计年市场规模将达到亿元。
根据中国电子材料行业协会磁性材料分会,截至年底,我国从事软磁铁氧体生产的企业共约多家,初具规模的企业约多家。大多数企业的生产规模在吨,0吨以上的企业约80家,约10家企业能达到上万吨的产能,3万吨产能的公司只有横店东磁和天通股份两家。
国内铁氧体软磁产能超过50万吨,传统产品竞争趋激烈,并向中高端产品和市场传递,总体企业利润持续振荡下降。受国内钢铁企业去产能整合及国外原料供应链变化,部分原材料价格将持续振荡上涨。
3.2金属软磁:下游光伏新能源车行业高增速,成长性潜力大
金属软磁材料主要包含工业纯铁及传统合金(硅钢片为主)、金属磁粉芯、非晶及纳米晶合金。
硅钢亦称“电工钢”,是一种含碳极低的硅铁软磁合金。硅的加入可提高铁的电阻率和最大磁导率,降低矫顽力、铁芯损耗(铁损)和磁时效,主要用作各种电机和变压器的铁芯,价格低廉,适合大规模生产,是电力、电子和军事工业中不可缺少的重要软磁合金。
硅钢按生产工艺分为热轧硅钢和冷轧硅钢,热轧硅钢因其可利用率低,能量损耗大,现已逐步淘汰。冷轧硅钢分为冷轧无取向硅钢和冷轧取向硅钢。
冷轧无取向硅钢又称冷轧电机硅钢,主要用于发电机制造,其硅质量分数为0.5%-3%,生产工艺较取向硅钢要求相对较低。经冷轧制成的成品厚度多为0.35和0.5mm厚的钢带。冷轧无取向硅钢的Bs高于取向硅钢。
冷轧取向硅钢又称冷轧变压器硅钢,主要用于变压器制造,其硅质量分数在3%以上,碳质量分数为0.03%-0.05%。钢中氧化物夹杂含量低且需要抑制剂。相对于冷轧无取向硅钢,取向硅钢铁损更低,其磁性具有强烈的方向性,并且在其轧制方向上具有优越的高磁导率与低损耗特性。冷轧取向硅钢分为普通取向硅钢和高磁感取向硅钢两类。高磁感冷轧取向硅钢均为单取向钢带,主要用途是用于制造电子仪表中的各类扼流圈、变压器等电磁元件。
无取向硅钢主要用于家用电器、工业领域电机、大型电机、新能源汽车等领域。据统计,年家用电器占比40%居下游需求首位。伴随着工业电机及新能源行业发展,有望拉动硅钢需求持续攀升。
供给侧结构性改革政策的推动下,我国钢铁产能取得显著成效,行业内企业布局优化,加大了对取向电工钢产品的供应,行业产能利用率稳步提升。据统计,年中国硅钢行业产能为万吨,产量为.11万吨,产能利用率为87.60%。
据统计,年中国硅钢片市场,无取向电工钢产量为.49万吨,取向电工钢产量为.62万吨。其中,中低牌号无取向硅钢约.2万吨,同比增长0.03%,占比79.15%;高牌号无取向硅钢约.7万吨,同比增长35%,占比15.27%。中低牌号仍占绝对地位,高牌号快速增长。
目前,国外生产硅钢的主要厂家有德国及在法国的蒂森克虏伯、日本新日铁、韩国浦项钢铁、美国AK和AlleghenyLud-lum、俄罗斯新利佩茨克和维兹等,但日本、韩国和德国仍是高端硅钢产品的主要分布地。
年无取向硅钢生产企业包括宝钢股份、首钢股份、太钢不锈、马钢股份、鞍钢股份等,其中宝钢股份以28.42%居行业首位,首钢股份14.05%位其次,CR4产能占比近全国65%。受高牌号硅钢技术壁垒及快速发展趋势影响,大型企业优势明显,未来市场集中度有望进一步提升。
金属磁粉芯是用高频率条件下低损失的金属合金粉末制造的磁芯,由于磁粉芯内部均匀分布的气隙,不泄露磁通量而且在高DC电流下也不易饱和。金属磁粉芯结合了金属和铁氧体软磁材料的优势,其电阻率较软磁金属大幅提高,能有效降低涡流损耗,且比软磁铁氧体具有更高的饱和磁化强度,更能满足电力电子器件小型化、集成化的要求。
金属磁粉芯主要包括铁粉芯、铁硅粉芯、铁硅铝磁芯、高磁通粉芯和铁镍钼粉芯,除铁粉芯外一般称其他粉芯为合金磁粉芯。
铁粉芯是最早开发的金属磁粉芯,具有较高的饱和磁化强度且价格低廉,但纯铁电阻率较低,制备的复合材料损耗偏高,因此,铁粉芯多应用于高功率低频率器件。
铁硅磁粉芯具有优异的饱和磁化强度及直流偏臵特性,多用于在大电流下工作的器件如抗流器、大功率电感器等。
铁硅铝磁粉芯是一种具有均匀分布式气隙,在高频率下有较低损耗的磁芯。高磁通密度和低磁芯损耗的特性,使铁硅铝磁芯非常适用于功率因数校正电路,以及单向驱动的应用,如回扫变压器,脉冲变压器。
高磁通磁粉芯是由FeNi(质量分数50%)合金制备的软磁复合材料,具有高饱和磁化强度、磁导率和直流偏臵特性,以及较低的损耗,可应用于要求大功率、大直流偏臵的器件,如调光电感器、脉冲变压器和功率回数校正电感器。
铁镍钼磁粉芯是为了进一步降低FeNi合金的矫顽力,将Ni含量提高至81%,并引入2%的Mo,磁致伸缩系数及磁晶各向异数均接近于零的FeNiMo软磁合金。具有高磁导率、低损耗、稳定性好、温度系数低、工作噪声低、使用频率范围宽等特点。但由于大量Ni的存在以及复杂的制粉工艺提高了磁粉成本,FeNiMo软磁复合材料多用于对精度与损耗要求较高的军工领域。
金属磁粉芯主要应用领域为光伏逆变器、变频空调、新能源汽车和充电桩、数据中心、储能、消费电子等,预计25年金属磁粉芯需求将超过20万吨。
金属磁粉芯是电感元件的核心部件之一。电感在电路中主要起到储能、滤波、振荡、延迟、限波等作用,此外还有筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰等作用,市场主要应用于电源和电器电子设备,并最终应用于光伏及储能、新能源汽车与充电桩、通信、家用电子与消费类电子等领域。
新能源汽车和充电桩市场近几年增速较快。储能领域将伴随电力系统调峰及电能质量的需求进一步爆发,预计未来需求规模可能与光伏逆变器相当。
在主要的太阳能光伏、变频空调、新能源汽车及充电桩等行业按目前数据保守预测到25年的市场需求将达到13.72万吨,相比目前新增市场容量约9.23万吨。如果考虑UPS、储能、消费电子等其他行业的市场新增需求以及金属软磁产品的渗透率提升和进口替代率提高等因素,整体市场需求将在25年超过20万吨。
金属磁粉芯外资生产企业主要有韩国昌星(CSC)、美磁、阿诺德、韩国东部集团,国内约五六十家生产企业,品质接近或达到国外水平,国内企业主要包括铂科新材、东睦股份等。据统计,年美国美磁和韩国昌星市占约32.4%,中国铂科新材和东睦科达磁电分别占比15.6%、9.9%,竞争格局较为集中。
非晶合金又称“液态金属、金属玻璃”,是一种新型软磁合金材料,主要包含铁、硅、硼等元素。其主要制品非晶合金薄带的制造工艺是采用急速冷却技术将合金熔液以每秒℃的速度急速冷却,形成厚度约0.03mm的非晶合金薄带,物理状态表现为金属原子呈无序非晶体排列。得益于上述极端生产工艺形成的特殊原子结构,使得非晶合金具有低矫顽力、高磁导率、高电阻率、耐高温腐蚀和高韧性等优异特性。
非晶合金材料目前主要应用于配电变压器领域,替代硅钢材料
配电变压器按照核心部件铁心所用原材料的不同,可以分为硅钢变压器和非晶变压器,二者所用的主要原材料分别是硅钢片和非晶合金薄带。与硅钢变压器相比,非晶变压器在节能、提效方面的优势明显,是“制造节能、使用节能、回收节能”的全生命周期可循环绿色产品。
在制造侧,非晶合金的生产工艺流程显著短于硅钢产品,非晶合金薄带制造流程约为10米,硅钢约为0米。硅钢采用传统钢铁冶金制备工艺制成,而非晶采用的是急速冷却工艺制成,从钢液到非晶合金薄带制品一次成型,生产1公斤非晶合金薄带比生产1公斤硅钢约可节省1升石油,实现制造节能;
在应用侧,非晶合金材料具有高磁导率、低矫顽力、高电阻率等材料特性,电磁能量转换效率显著优于硅钢材料,非晶变压器空载损耗较硅钢变压器降幅可达到60%左右,实现使用节能;
在回收侧,废旧的非晶铁心可通过中频炉重熔后制成非晶合金薄带,非晶铁心中的硅、硼元素基本可以实现回收再利用,实现回收节能。
双碳下非晶合金有望加速渗透,市场空间广阔
非晶合金因其高效电磁能量转换效率的材料特性在节能减排方面具有优势。年以来,非晶合金在我国配电网领域快速发展,市场规模从1.30亿美元增长至年的2.08亿美元,产量规模从4.97万吨增长至年的9.97万吨,复合增长率分别到达12.47%、19.01%。
综合国家电网和南方电网的招标数据情况,年国内非晶合金变压器的市场份额占比约为25%。其中,南方电网的非晶变压器招标采购占比更高,主要是由于南方电网主要覆盖广东、广西、贵州、海南、云南等地区,其所覆盖区域用电负荷和集中度相对偏低,非晶变压器节能降耗的作用更为明显。
工信部、市场监管总局和国家能源局年12月联合印发的《配电变压器能效提升计划(-)》要求加快高效节能变压器推广应用,明确要求禁止未达标变压器接入电网。自年6月起,新采购变压器应为高效节能变压器。到年,高效节能变压器在网运行比例提高10%,当年新增高效节能变压器占比达到75%以上;开展非晶合金等高效节能变压器用材料创新和技术升级,加强立体卷铁芯结构等高效节能变压器结构设计与加工工艺技术创新。
随着国家对“碳达峰”、“碳中和”整体规划和目标的确定,以非晶合金等材料制造的高效节能变压器迎来战略性的发展机遇和更宽广的市场空间。
纳米晶合金是将含铁、硅、硼、铌、铜等元素的合金熔液,通过急速、高精度冷却技术,在非晶基础上形成弥散、均匀纳米岛屿结构的材料,具有较高的饱和磁密、高初始磁导率和较低的高频损耗等特性,广泛应用于中、高频领域的能量传输与滤波。
纳米晶超薄带产品是制造电感、电子变压器、互感器、传感器、无线充电模块等磁性器件的优良材料,主要应用于消费电子、新能源发电、新能源汽车、家电、粒子加速器等领域,满足电力电子技术向大电流、高频化、小型轻量、节能等发展趋势的要求,目前已在智能手机无线充电模块、新能源汽车电机等产品端实现规模化应用。
纳米晶合金将加速替代铁氧体软磁。与铁氧体软磁材料、非晶软磁材料等材料相比,纳米晶超薄带因其高饱和磁度、低矫顽力、高初始磁导率等材料特性可以缩小磁性器件体积、降低磁性器件损耗,属于新型磁性材料,综合磁性性能更为优异。随着技术进步对磁性材料的要求提高以及消费电子、新能源汽车等新兴市场领域需求的上升,纳米晶超薄带对传统铁氧体材料有望逐步形成替代。
非晶、纳米晶软磁行业小规模企业为主
目前,亚太地区在全球磁性材料行业中处于中心地位,以TDK、日立金属、日本户田(Toda)等为代表的日本企业处于行业技术领先地位,中国作为磁性材料的重要生产基地,近年来磁性材料行业迅速发展,整体实力不断增强。
根据中国电子材料行业协会磁性材料分会,国内从事非晶纳米晶软磁合金材料生产的企业约多家,万吨级企业约10家,青岛云路新能源科技有限公司、安泰科技、兆晶股份有限公司等企业实际产量均达到或接近3万吨。配电用非晶宽带企业11家,设计产能35万吨;纳米晶设计产能4.6万吨;非晶粉末企业6家,块体非晶企业11家,其他母合金等配套企业有23家,基本上实现了非晶合金产业的全覆盖。
四、其他磁性材料:磁致伸缩、磁记录、磁泡等功能性材料
磁致伸缩材料:具有显著磁致伸缩效应的磁性材料
磁致伸缩是指物体在磁场中磁化时,在磁化方向会发生伸长或缩短,当通过线圈的电流变化或者是改变与磁体的距离时其尺寸即发生显著变化的铁磁性材料,通常称为铁磁致伸缩材料。磁致伸缩效应类似于我们生活中常见的热胀冷缩,但是对于某些材料来说,磁致伸缩是有取向的,即材料只可以在某个方向呈现明显磁致伸缩。
目前常见的磁致伸缩材料有稀土大磁致伸缩材料铽镝铁合金(GMM,Terfenol-D),脆性改良铽镝铁合金(TD-plus),铁镓合金(Galfenol),磁控形状记忆合金(MSMA)Ni-Mn-Ga,磁致伸缩波导丝,铁钴钒合金,铁镍合金,纯镍,铁铝合金等。
目前磁致伸缩智能材料被
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