5.1　產業發展的背景需求及戰略意義

　呼吸機產業背景分析

呼吸機為治療呼吸衰竭患者的重要器械。呼吸機用于機械輔助通氣，實現幫助患者正常呼吸。當患者呼吸功能失常時，呼吸機可以模仿人的呼吸速率將含氧量不同的氣體（21%～100%）送進肺部，并規律性地進行氣體交換，幫助患者改善缺氧、二氧化碳滯留狀態。呼吸機能夠為患者提供吸氧服務，以及幫助呼吸功能存在障礙的患者恢復正常生活，隨著現代醫學的迅猛發展，呼吸機的應用越來越普遍，發展也越來越快。

呼吸機主要分為單水平呼吸機、單水平全自動呼吸機和雙水平呼吸機，其中單水平呼吸機及單水平全自動呼吸機主要適用于睡眠呼吸暫停綜合征患者，雙水平呼吸機主要適用于慢性肺阻等肺部疾病患者。

5.1.1.1　呼吸機產業發展現狀

呼吸機于2000年前后進入中國市場，近年來隨著電商渠道的崛起，呼吸機的購買渠道更加多樣化，市場呈現快速發展態勢，同時伴隨著國內基層醫院的設備升級，呼吸機消費需求持續增長，我國呼吸機市場規模從2014年的55.8億元增至2018年的116.1億元（圖5-1）。

呼吸機作為常規的救治儀器，已普遍應用于臨床搶救、治療各種原因引起的急慢性呼吸衰減或呼吸功能不全，在醫院ICU搶救危重病人時起著至關重要的作用。2013—2018年我國醫用呼吸機需求量呈現逐年增長態勢，2018年中國醫用呼吸機需求量達1.47萬臺，同比2017年增長了14.8%（圖5-2）。

5.1.1.2　新冠病毒肺炎疫情下醫用呼吸機的重大需求

醫用呼吸機為三類醫療器械，常規家用呼吸機為二類醫療器械。根據 2017 年版《醫療器械分類目錄》來看，家用呼吸支持設備（非生命支持）、睡眠呼吸暫停治療設備屬于二類醫療器械，一般用于家庭；治療呼吸機（生命支持）、急救和轉運用呼吸機、高頻呼吸機、家用呼吸機（生命支持）屬于三類醫療器械，兼具無創與有創的連接方式，多在醫療機構使用。呼吸機為抗擊疫情的重要戰略物資。新冠病毒肺炎的多數患者伴有呼吸困難等下呼吸道感染癥狀，在缺少特效藥的情況下，患者出現呼吸困難癥狀就需要給予及時的呼吸支持，確保患者血氧飽和度在安全范圍內，緩解病程向重癥、危重癥轉化。呼吸機已成為重要的戰略物資，但是各國當下儲備不足。歐盟委員會已決定建立囊括呼吸機和防護口罩等的戰略性“拯救歐洲”醫療設備儲備庫。美國已啟動《國防生產法案》，批準福特、通用和特斯拉等汽車企業制造呼吸機。

（1）受新冠疫情影響，海內外醫用呼吸機儲備需求快速增長

重癥診療方案中，呼吸機、人工肺不可或缺。由于缺乏抗病毒特效藥，新冠病毒肺炎患者的治療以對癥治療為主，針對性地使用藥物及支持手段，其中，推薦重型患者使用鼻導管或無創呼吸機治療，以及其他支持治療；危重患者需要有創呼吸機進行通氣，如果進一步惡化，則使用體外膜肺氧合（ECMO）治療，同時輔以更加精細化的對癥手段。

呼吸機為重癥、危重癥病房必需配置。根據中國確診患者的發病統計來看，新冠病毒肺炎患者中重癥、危重癥的發病占比分別為13%、6%，重癥、危重癥患者需要更加集中、高端的重癥監護治療資源，環ICU重癥醫療設備需求急速增加，其中呼吸支持類醫療設備為重要設備。

（2）疫情刺激公共衛生應急儲備，國產呼吸機大幅供應滿足醫療需求

中國急需國家級公共衛生應急儲備應對重大疫情，環ICU醫療設備鏈中呼吸機需求大。呼吸機為救治重癥患者的必需設備，疫情暴發后，武漢地區重癥監護資源急速擴張7.6倍。假設應對全國范圍內的武漢級別新冠疫情，估計全國范圍所需重癥監護床位數將達到23.5萬張，合計擴張床位數為18.2萬張，估計至少急需新增無創呼吸機88261臺、有創呼吸機28781臺以滿足國家級公共衛生應急儲備。

后疫情期，ICU重點擴建將大幅拉動呼吸機需求。按照ICU設置標準估算，未來將新增的84142張ICU床位，ICU每床必備的醫療設備將按比例同量增加，其中，呼吸機有望增加84142臺以滿足ICU建設需求。

疫情期間，國內企業呼吸機月度累計供貨量超過1.5萬臺。自國內疫情暴發至3月3日，工信部重點監測企業共為湖北（主要是武漢）提供了無創呼吸機約1.4萬臺、有創呼吸機2900余臺。受疫情刺激，月度供貨量已基本覆蓋2019年的全年銷售量。

國產呼吸機企業擴產迅速，大幅供貨滿足疫情需求。疫情期間，國內市場呼吸機訂單猛增，國產呼吸機企業積極響應，迅速擴產。在國內抗疫期間，魚躍醫療的月度累計供貨量超過7500臺，誼安醫療的月度累計供貨量達2000余臺，明康中錦（斯百瑞）月度累計供貨量約3000臺呼吸支持設備，邁瑞醫療月度累計供貨量在1000臺以上。隨著國內疫情平穩，海外疫情暴發，國內企業開始接海外訂單，魚躍醫療呼吸機訂單已排至4月底，邁瑞醫療海外呼吸機訂單量高達上萬臺，訂單約排至6月份。

（3）海外疫情全面暴發，呼吸機面臨巨大缺口

海外疫情全面暴發，醫用呼吸機需求快速釋放。環ICU醫療設備需求將隨著重癥、危重癥人數增加繼續加大，急需進口儲備。海外市場呼吸機緊缺，加急訂單難以滿足臨床需求，各大洲國家的呼吸機整體需求緊張。

5.1.1.3　高速靜音呼吸機電機用非晶材料的重大需求

市面上呼吸機的種類繁多，但是基本都是由濕化器、控制電路、傳感器、電機等組成，這里完成壓力輸送的就是呼吸機電機。目前呼吸機電機主要應用的是無刷電機，無刷電機在醫療應用領域獲得了大力推廣，轉速高、壽命長、噪聲低的優勢廣泛用到醫療器械中。作為呼吸機的核心部件，電機性能對呼吸機起到最核心的影響。呼吸機電機技術壁壘高，決定呼吸機質量優劣與使用效果。以醫用有創呼吸機來看，按照核心技術難度、供氣方式分為低、中、高檔，呼吸機電機技術是影響呼吸機質量的關鍵因素。其中高檔產品主要為外資產品，高檔呼吸機運營的穩定性好，可靠性高，價格約為35萬～40萬元，中檔價格次之，價格約為20萬～25萬元。呼吸機電機轉速通常在30000r/s以上，同時要求電機安靜、可靠、高效，能夠在夜間、轉院途中、急救車或洲際飛行期間通過電池供電高效地驅動呼吸機鼓風機。

非晶合金在磁性能方面兼具高飽和磁感應強度、高磁導率和低損耗特征，現已成功應用于非晶配電變壓器，其空載損耗可比傳統硅鋼變壓器降低60%～80%。隨著頻率升高，硅鋼鐵芯損耗呈級數快速增加，非晶鐵芯節能優勢越來越顯著（圖5-3）。

高速靜音呼吸機向著高效性、高可靠性、輕量小型化等更高目標發展。電機高轉速、高功率密度和高轉矩密度的實現，必須通過提高電機頻率得以實現，然而頻率的提升會導致電機鐵芯損耗呈級數增長，嚴重影響電機效率、溫升和穩定性，解決這一矛盾的關鍵就是開發具有高頻低損耗的新型電機定子鐵芯及軟磁材料（圖5-4）。

相對于傳統的電機鐵芯硅鋼材料，非晶合金應用于高速靜音呼吸機電機鐵芯，不僅可以降低電機鐵芯損耗，還因其具有高磁導率的特征，可以降低電機的啟動電流、提高電機的響應速度，降低電機的銅損；而且，非晶材料在電機的工作頻率范圍（50～2000Hz），磁導率隨頻率升高衰減緩慢，使非晶電機頻率越高綜合性能優勢越顯著。非晶高速電機效率大幅提升，是高速靜音呼吸機電機理想軟磁材料。

　非晶合金材料及相關產業分析

5.1.2.1　非晶合金的定義

作為一類高新技術材料，非晶合金具有優異的物理、化學性質。非晶合金也稱為金屬玻璃或液態金屬，被譽為鋼鐵、塑料之后的第三次材料科技革命（圖5-5）。

金屬在熔化后，內部原子處于活躍狀態，一旦金屬開始冷卻，原子就會隨著溫度的下降，而慢慢地按照一定的晶態規律有序地排列起來，形成晶體。如果冷卻過程很快，原子的長程輸運和重排來不及進行就被“凍結”了，由此就產生了非晶合金。非晶合金的原子最終以混亂方式排列，類似于液體，因此非晶合金又稱為液態金屬，也稱金屬玻璃。鐵基非晶合金作為一種新型軟磁功能材料，具有典型的“雙綠色”節能特征。首先，鐵基非晶帶材一般采用平面流鑄造法（Planar Flow Casting，PFC）制備，以106℃/s的冷卻速率從鋼液直接凝固形成厚度為20～30μm的條帶。與傳統的硅鋼材料的制備過程相比，非晶材料的制造過程省去了澆鑄、軋制、再結晶退火、表面絕緣處理等諸多工序，實現了冶金領域最短的工藝流程，制造過程可以節省約80%的生產能耗。同時，非晶材料具有原子排列長程無序的微觀結構，從而表現出了優異的物理、化學和力學性能。

5.1.2.2　非晶合金的優點

非晶合金既具有金屬的優異特性，又具有非晶的無缺陷結構等特點。正是由于非晶合金具有不同于常規的晶態材料的特殊結構，非晶合金具有很多晶態材料所不具備的力、熱、光、電、磁等物理性質和很多獨特的化學性質。下面是已經廣泛應用的幾個性質：

（1）磁性能

在電力電子技術中，非晶態軟磁合金將以其高效、低損耗、高磁導等優異的物理性能有力地促進電力電子元器件向高頻、高效、節能、小型化方向發展，并可部分替代傳統的硅鋼、鐵氧體材料等，被稱為跨世紀的新型功能材料。

在電力技術中，采用非晶態軟磁合金作為鐵芯材料的配電變壓器，其空載損耗比同容量的硅鋼芯變壓器大幅度降低，因此減少了二氧化碳、二氧化硫等的排放量，又被認為是綠色環保材料（圖5-6）。

與傳統硅鋼、坡莫合金和鐵氧體等傳統材料相比，非晶合金材料具有以下的優點：

① 能耗低：由于非晶軟磁材料比傳統晶體金屬軟磁材料電阻率高，軟磁性能好，非晶磁芯的鐵損極低，是普通硅鋼片鐵芯的1/5～1/3。采用非晶合金作為鐵芯材料的配電變壓器，其空載損耗比同容量的硅鋼鐵芯變壓器低80%。變壓器損耗約占配電網損耗的30%～60%，其中空載損耗約占變壓器總損耗的50%～80%，因此使用非晶合金變壓器節能效果顯著。

② 磁性能優異：由于非晶材料原子排列無序，沒有晶體的各向異性，因而非晶合金具有高的磁導率和低的矯頑力，鐵基非晶合金的飽和磁感應強度可達1.4～1.7T。

③ 生產工藝簡單、環保：一般來說，傳統晶態軟磁合金（例如硅鋼和坡莫合金）的生產工藝通常包括熔煉、鑄造、熱軋、冷軋、加工、退火等十余道工序。而非晶合金采用噴帶一次成型，相比于傳統晶態軟磁合金具有流程短、工藝簡單、能耗少的特點。同時，減少了“三廢”的排放，非晶軟磁材料的生產周期短，更節能，更環保。因此，快速凝固工藝的發明被譽為冶金工藝的一次革命。

④ 價格低：由于工藝簡單，因此非晶磁芯的生產成本比較低，與硅鋼片接近，而遠遠低于坡莫合金，具有較高的性價比。

⑤ 溫度穩定性高：常用的磁性材料，當溫度高于一定值時，材料原有磁性能喪失，該溫度稱為居里溫度（或居里點）。非晶材料居里溫度大于400℃，高于鐵氧體磁性材料，并與坡莫合金相當。硅鋼的居里點最高，但只能在低頻使用。另外，由于非晶材料在高溫下要發生晶化，因此其使用溫度受晶化溫度的限制。非晶材料的晶化溫度一般在450～600℃之間，可以適應互感器應用環境溫度。因此，非晶互感器具有較強的溫度穩定性。

⑥ 時效穩定性高：由于非晶材料處于亞穩態，在一定溫度條件下有晶化趨勢，從而導致非晶材料的磁性能將隨時間而降低。但是，這種趨勢隨溫度的降低而呈指數規律迅速遞減。美國自20世紀80年代使用的非晶變壓器一直運轉正常，國內也未見因為鐵芯性能惡化導致變壓器失效的例子。國內外的應用和試驗已經證明，非晶材料在130℃以下使用是可靠的，有些品種的使用溫度甚至可以達到150℃。這充分說明非晶材料在時效穩定性方面非常安全。

⑦ 磁沖擊穩定性好：非晶磁芯在使用過程中，有時會受到來自電源內部或外部的強磁場沖擊。在強磁場沖擊后，鐵芯保持原有性能是非常關鍵的。否則，鐵芯性能的惡化會降低電源效率，嚴重的甚至造成鐵芯工作點偏移，使鐵芯飽和，損壞開關管。目前，試驗表明，非晶材料經過適當處理后，磁性能完全可以經受強磁場的沖擊而基本復原。

⑧ 機械穩定性高：非晶合金在使用前，一般要經過熱處理。而經過熱處理后，材料比較脆。作為非晶鐵芯使用時，大多數要放在保護盒中或表面注塑后使用。同時，在鐵芯裝入保護盒時通常還要加入某些襯墊物，如硅脂、海綿等。這些措施完全可以保證鐵芯在使用中不發生損壞和磁性能惡化，具有好的機械穩定性。

⑨ 頻率適應范圍寬：不同的非晶態合金具有不同的飽和磁通密度和居里點，分別可以應用于高頻和低頻。因此，采用不同配料的非晶互感器能夠分別較好地適應高頻和低頻應用場合。

總之，非晶材料的磁導率、勵磁電流和鐵損等軟磁性能優于硅鋼片，其制造過程節能，同時磁性能優良，可降低互感器使用過程中的損耗，因此代替普通硅鋼片將是技術發展的必然趨勢。

（2）力學性能

由于沒有晶態合金常有的晶界和位錯等缺陷，與傳統晶態合金材料相比，非晶合金的力學性能明顯更加優異。非晶合金的力學性能有以下優點：

① 極高的斷裂強度。與常用的晶態材料、高分子材料、木材和氧化硅玻璃等相比，非晶合金的壓縮斷裂強度要高得多，這是非晶合金最為顯著的力學性能特征，幾乎所有合金系的非晶合金的最高強度都達到了同類合金系晶態材料的數倍。

② 高彈性應變和高彈性極限。非晶合金在壓縮變形過程中彈性應變值大多接近甚至超過2%，比晶態合金高幾倍。非晶合金的彈性極限接近理想彈性極限（圖5-7），其根源在于它的結構無序性，即不能像晶態材料那樣通過位錯的滑移很快使材料達到屈服。

③ 低楊氏模量。其高彈性和低楊氏模量的特點有很多應用。

④ 高硬度。

⑤ 過冷液相區內的超塑性加工能力。

（3）化學性能

由于非晶合金是單向無定形結構，不存在晶界、位錯和層錯等結構缺陷，也沒有成分偏析和第二相析出，這種組織和成分的均勻性使其具備了良好的抗腐蝕能力的先決條件。同時非晶態合金自身的活性很高，能夠在表面上迅速形成均勻的鈍化膜，因此非晶合金具有良好的抗腐蝕性。在Zr基和Mg基非晶合金中還發現它們有很好的吸氫性能，特別是后者，氫氣吸附率接近100%。Pd基非晶合金用作電極材料時，具有高效率產生氫氣的能力，在500周期后，僅消耗不到10%，而普通型材料用20周期后則下降許多。因此非晶合金在新型電極材料領域具有非常好的應用前景。

綜上所述，非晶合金力學性能好、耐腐蝕性好，而且具有優異的磁學性能，可節能、污染少，是一種綠色的環保材料，對人類的可持續性發展具有非常重要的意義。隨著研究的不斷深入，它的應用領域將會不斷擴大，對高新技術的發展將起重要的推動作用。

5.1.2.3　非晶合金的應用

基于獨特的組織結構和優異的性能，以及高效的制備工藝和廣闊的應用前景，非晶合金自誕生以來就一直受到廣泛重視，人們也逐漸加大了對其應用技術的研究。短短的幾十年，非晶合金已經在很多領域得到廣泛應用，可以預見，其作為一種性能優異的材料必將獲得廣泛應用（圖5-8）。

目前非晶合金主要用作軟磁材料、模具材料、切削工具材料、電極材料、耐腐蝕材料、儲氫材料、運動器材等，其在汽車工業、化學工業、運動器材乃至國防軍事上已經表現出巨大的應用潛力。

在化學性質方面，非晶合金對某些化學反應具有明顯的催化作用，可用作化工催化劑；某些非晶合金通過化學反應可吸收和釋放出氫，可用作儲能材料。由于沒有晶粒、晶界等缺陷，非晶合金比晶態合金更加耐腐蝕，可作為腐蝕環境中應用設備的首選材料。

由于非晶合金在過冷液相區具有超塑成型能力，容易加工成不同的形狀，現已用來制作微型模具，也可以進行微型零件的成型，以及具有復雜形狀的零件的近終成型。非晶合金具有高的彈性極限和低的楊氏模量，相對于晶態材料而言具有更好的彈性。用大塊Zr基非晶合金制作的高爾夫球頭，由于沒有晶界、位錯等缺陷，在受到沖擊時能量損失很少，可以把更多的能量傳遞給球，將球擊得更遠，同時球與桿作用的時間加長，有利于對球的控制。目前在美國市場上已有這種高爾夫球桿出售。

大塊非晶合金的彈性模量約為鋼的一半，作復合裝甲的夾層可以延長射彈與裝甲車的作用時間，減小沖擊；同時由于它的無定形的結構，使破甲彈爆炸產生的噴流對裝甲車的沖擊得到分散，避免了晶體材料制備的裝甲車被擊中時產生的沿結晶結構邊緣破裂。用這種強化的大塊非晶合金來做穿甲彈的彈芯，具有“自銳”效應。普通的金屬射彈在沖擊力的作用下變成一種扁平的蘑菇狀，而大塊非晶射彈不同，相反沖擊力的作用會將它的四周撕裂開來，在它鉆進物體的時候，實際上變得更加尖銳，大大提高了其摧毀力。另外，新型大塊非晶合金還具有類似于貧鈾合金的高絕熱剪切敏感性和更高的強度，這種特殊性能使得它適合用來制造穿甲彈，因而已引起美國軍方的高度重視。據報道，美國軍方已經與加州理工學院、約翰-霍普金斯大學及橡樹嶺國家實驗室合作，研究大塊非晶合金穿甲彈從而代替現役的貧鈾穿甲彈。另外，大塊非晶合金還具有耐磨、抗疲勞、延展性優良的性質。最近制備出的輕型、抗輻照、高強度的大塊Ti基金屬玻璃在航天領域有很大的應用前景。

目前，非晶合金材料應用最成熟的是基于其卓越的軟磁性能。與傳統的晶態合金磁性材料相比，其原子排列無序，沒有晶體的各向異性，電阻率高，具有高的磁導率，因而可以應用在高頻設備中，具有顯著的節能效果。非晶合金鐵芯還廣泛地應用在各種高頻功率器件、傳感器、高耐磨音頻視頻磁頭和高頻逆變焊機上，這使得電源工作頻率和效率大大提高，焊機的體積成倍減小。目前，一種體積小、重量輕的非晶態軟磁材料以損耗低、導磁高的優異特性正逐步代替一部分傳統的硅鋼、坡莫合金和鐵氧體材料，成為目前最引人注目的新型功能材料之一。

5.1.2.4　非晶合金相關產業分析

在非晶節能材料的產業鏈中，包括如下環節：首先是上游的非晶節能材料生產用原材料，主要包括鐵、硼、硅等；然后是非晶節能鐵芯，其使用非晶合金帶材通過剪切、疊裝、固定成型及磁場熱處理等環節制成；最后是產業鏈的終端產品，包括非晶節能電力變壓器、節能電機、節能電感器等，各領域應用對非晶節能材料的性能都有特殊要求，且都涉及大量相應的關鍵技術（圖5-9）。

在這些環節中，上游的非晶合金帶材是關鍵的制約環節。從技術難度、工藝復雜性等方面來看，非晶合金帶材>非晶合金鐵芯>非晶合金變壓器。從非晶變壓器與非晶合金鐵芯的技術掌握與生產廠家數量規模情況，可以發現一個比較有趣的現象：一般來說，從上游至下游產品技術含量由高往低排列應該是下游、中游、上游，但非晶合金產業鏈條卻剛好相反，技術堡壘基本集中在上游地區，掌握了上游生產技術就能決定下游產品的規模與生產廠家數量，所以掌握產業鏈上游非晶合金帶材生產技術尤為關鍵。

隨著電子技術向高頻、小型化方向發展，非晶納米晶軟磁合金材料已制成各種各樣磁性器件代替硅鋼、鐵氧體和坡莫合金等，應用于電力工業、電子工業及電力電子技術領域，用作電流互感器、大功率開關電源、逆變電源和程控交換機電源的變壓器、電抗器、濾波器、互感器及傳感器等。

（1）非晶合金生產用原材料產業

非晶節能材料生產用的原材料主要有工業純鐵、工業純硅和工業鐵硼等。原材料并不緊缺，采購途徑也較多，但原材料中的雜質含量差別較大，且價格隨市場供求關系波動較大。總的來說，非晶節能材料生產的上游原材料供應是比較充足的，只需做好雜質含量分析和成本控制即可。

（2）非晶變壓器產業分析

非晶節能變壓器是非晶節能材料目前用量最大的領域，且其市場仍將不斷擴大。非晶合金變壓器是在20世紀80年代初由美國開始研發生產的，當時美國認識到非晶合金變壓器對電力線路節約能源的巨大潛能，由美國電力委員會組織了GE（通用電氣）公司、霍尼韋爾公司、美國超導能源公司、美國南方電力公司等八大相關機構，聯合對非晶合金變壓器產品的設計、制造、運行等環節進行技術研發和實際運行可靠性驗證，至20世紀90年代初，歷時10年獲得成功，非晶變壓器開始了真正的規模化、商業化經營。

自美國開創并發展到中國、日本、印度、韓國等世界各國起，非晶合金材料制成的變壓器已被各國列為節能環保產品。國際能源署（IEA）2001年在推廣節能配電變壓器行動建設材料中已將非晶合金變壓器列為節能配電變壓器首選品種。近年來國際上已將非晶合金變壓器列為節能配電變壓器的首選、列為改變大氣熱污染的戰略措施之一，從而推動了該產品的應用。近年來，幾萬臺非晶變壓器在網上正常運行，證明了它的可靠性及經濟性，得到了人們的共識。

至今，非晶變壓器規模化生產已近20年，目前在全世界范圍內被廣泛推崇，其中美國、加拿大、墨西哥、日本、印度、韓國等國家和中國臺灣地區均有大量非晶合金變壓器在掛網運行。特別是在日本，政府鑒于節約能源對國家發展的重要性，從2000年開始逐步提高非晶合金變壓器的上網比例，到2005年時已規定所有新增配電變壓器必須使用非晶合金變壓器，在配電領域徹底淘汰相對高耗能的硅鋼變壓器。

我國很早就開始了非晶節能變壓器的研制工作。1986年5月，上海鋼鐵研究所與寧波變壓器廠合作，用該所研制的非晶合金帶材試制出國內第一臺單相3kV·A非晶合金變壓器。1995年8月，根據三委三部“促進非晶配電變壓器在中國應用”工作小組的決定，委托沈陽變壓器研究所根據美國聯信公司非晶合金帶材性能統一設計，組織了天津、上海、北京、佛山、遼陽和保定等六個變壓器廠，試制出SHll-160kV·A、200kV·A、315kV·A、500kV·A四種規格共六臺樣機，并通過國家鑒定。1998年2月，上海置信公司引進美國GE公司的非晶變壓器制造技術，開始了我國非晶合金變壓器的規模化生產時代。目前，除置信電氣以外，我國其他知名變壓器生產企業，如順特電氣、江蘇華鵬、特變電工、杭州錢江電器、天威保變、西變、天津特變等均掌握了非晶合金變壓器的生產技術。非晶合金帶材的國產化使我國形成了從帶材生產、鐵芯加工到非晶合金變壓器制造的完整產業鏈，這就為國網公司大規模推廣非晶合金變壓器提供了有利的條件。2010年南方電網已經開始對非晶合金變壓器招標。

非晶合金配電變壓器在制造工藝上具有特殊性，其技術門檻是一般企業較難掌握的。首先，非晶合金帶材的質量要求高。非晶合金帶材硬度遠大于硅鋼片，同時厚度很薄，給切割和加工帶來不便。另外，由于非晶合金的磁致伸縮系數比硅鋼片高約10%，將導致非晶合金鐵芯變壓器噪聲升高，需要進行退火處理，從而降低噪聲。而退火處理關鍵點在于控制好退火溫度和時間，否則會導致帶材的晶化；并且，退火處理后的非晶合金材料易碎，對機械應力非常敏感，在制作工藝上還需要采取特殊緊固措施。其次，非晶合金配電變壓器的鐵芯制作工藝也較為復雜。要通過下料、沖剪、疊裝、固定成型、檢測、磁場熱處理、冷卻、涂膠、再檢測等眾多環節。其中，磁場熱處理屬于核心技術，要通過磁場熱處理裝置使磁疇定向后才能減少非晶合金帶材的應力，最終起到降低損耗的效果。最后，在組裝變壓器時，需要打開鐵芯的下鐵軛接縫，套入繞組，再重新閉合接縫。這一開一合，需要設計水平和工人的熟練經驗，否則可能導致鐵芯的縫隙過大，增加接縫的磁阻，最終增加空載損耗和變壓器的噪聲。

隨著國內用戶對非晶合金變壓器提出越來越高的要求，產品制造企業也不斷地推出更多類型的新產品。針對國內用戶需求，非晶合金變壓器制造商已開發出包括20kV、35kV的適合各種環境應用的產品。而且，近年來國內企業又相繼開發出適合風電、太陽能等新能源專用的非晶合金變壓器。此外，在降噪方面，國內企業已經形成了一套完整的非晶合金變壓器降噪加工工藝，使我國非晶合金變壓器的生產技術達到國際領先水平。以上海置信電氣公司為例，經過近十年的發展，已經開發的品種有非晶合金油浸配變、非晶合金地埋變、非晶合金歐變等，共有40多個系列、350多個規格。

非晶合金鐵芯配電變壓器，空載損耗相比硅鋼片變壓器大幅下降，節能效果明顯，而且其全壽命期的綜合成本也低于傳統的變壓器，經濟效益良好。由于非晶合金變壓器采用了新材料和新技術，工藝復雜，因此其產品價格較傳統變壓器高，一般比同型號傳統變壓器高30%～55%，相對于業內具有一定品牌和服務優勢的ABB等企業的硅鋼片變壓器，其綜合成本也大概要高20%。但由于其節能效果顯著，運營成本較低，所以其綜合成本較傳統變壓器低。國外許多國家對非晶合金鐵芯變壓器從不同角度的研究，包括使用壽命的加速老化、現場運行和特殊試驗證明：非晶合金變壓器在30年壽命期內，其空載特性穩定，不存在運行中空載損耗有所變化的情況，有較高的可靠性。

安泰科技股份有限公司（簡稱安泰科技）非晶合金帶材量產的實現，打破了日立金屬的市場壟斷地位，有利于國內市場的快速啟動。據專家估算國內非晶合金變壓器市場容量上千億元，隨著上游原材料的量產、下游非晶合金變壓器技術的成熟以及國網公司的積極推進，非晶合金變壓器市場將邁入高速增長期。

（3）非晶電機產業分析

隨著科學技術的發展，很多應用領域對電機轉速的要求越來越高，例如高速電機主軸、高速離心機、高速紅外掃描儀、高速飛輪儲能等領域。電機的轉速與電機鐵芯內的電磁頻率成正比，所以要實現電機的高轉速，必須提高電機的頻率。還有一些應用領域要求電機具有高功率密度，比如飛機螺旋槳和燃油泵的驅動電機、雷達和天線的驅動電機、魚雷和機器人的驅動電機等。電機的功率密度和電機鐵芯內的磁通密度Bm與電磁頻率的乘積成正比，但是受軟磁材料飽和磁感應強度Bs的限制，要大幅度提高電機的功率密度也必須提高電機的頻率。然而，電機定子鐵芯的總損耗又與頻率的1.3～1.5次方成正比。當電機的工作頻率從50Hz提高到500Hz時，假設磁通密度Bm不變，電機的鐵損不是增加10倍，而是增加200多倍。因此隨著頻率的升高，硅鋼電機鐵芯的損耗將變得非常嚴重，直接導致電機效率顯著下降，甚至造成電機的過熱損壞。在電機的工作頻率范圍內，Fe基非晶合金的損耗可降低為硅鋼的1/5～1/3，因此使用非晶合金做電機鐵芯可顯著提高電機效率。在工頻或更低頻率下，電機鐵損占總損耗的比重不大，而且非晶合金的Bs值低于硅鋼，所以使用非晶合金替代硅鋼意義不大；然而在幾百赫茲以上電機鐵損明顯升高，使用非晶合金鐵芯對于降低電機鐵損和鐵芯的溫升變得意義重大。Fe基非晶合金除了低損耗的優勢外，還具有硅鋼幾倍的磁導率，所以可以在很大程度上降低電機的勵磁電流，進而降低電機的銅損。此外，在相同的勵磁磁場強度下，硅鋼鐵芯的磁通密度Bm會隨著頻率的升高而迅速下降，然而非晶合金鐵芯的磁通密度Bm隨著電磁場頻率升高而下降的幅度很小，基本可以忽略不計。可見，在較高的頻率下使用非晶鐵芯比硅鋼鐵芯更具優勢。綜上所述，非晶合金應用于電機的定子鐵芯可以顯著降低電機的損耗，提高電機效率，尤其對于高頻下工作的高轉速或者高功率密度電機更能發揮出顯著優勢。

國外從事非晶電機研發的公司主要有日本日立（Hitachi）公司和美國萊特（LE）公司。日立金屬在電機生產方面擁有悠久的歷史和先進的技術，而且是當今世界上最大的非晶合金材料制造商。聶尊譽在2009年2月28日《功能材料》的科技信息中報道：日立公司運用在非晶變壓器開發過程中所積累的技術，已經解決了非晶帶材薄、脆且硬難于加工的難題，并且制備出了鐵芯使用非晶金屬而不使用釹和鏑等昂貴稀有金屬的電機，該電機的效率可達86%，比普通電機提高了約5個百分點。但是，日立公司仍沒有非晶電機商品進入市場，表明他們的非晶電機產品尚未完全成熟。

目前， 美國萊特技術股份有限公司（Light Engineering Inc.， LE） 是世界上唯一一家已經將非晶電機推入產業化的公司。LE自1996年開始研究非晶定子在電機中的應用，至今已申請美國專利近20項，其中部分也在中國申請了專利。從這些專利可以看出該公司在非晶合金應用于雙定子軸向氣隙永磁同步電機方面已經掌握了世界上最先進的技術。LE生產的非晶電機均為軸向永磁電機，其工作原理是三相交流定子電樞繞組產生一個圓形旋轉磁場，轉子以同步轉速旋轉。對于非晶定子鐵芯的加工，LE的加工方法是首先將非晶帶材卷繞成固定尺寸的三維環形鐵芯，再進行退火、浸漆、固化處理，最后通過銑削的方法制成定子鐵芯。電機的轉子由非磁性的軸結構材料和NdFeB永磁材料組成。LE通過提高非晶電機極數和頻率以及優化SPP值和控制等手段，使其生產的非晶電機具有高效率、高轉矩和高功率密度、低轉矩脈動和可利用變頻高精度調速等優勢。

在國內，安泰科技借助非晶節能材料的產能優勢，通過多年的非晶電機研發工作，也取得了一定的成果。筆者所在的課題組研究了鐵基非晶合金在高速電機定子鐵芯方面的應用，使用帶材切片、軸向疊壓、整體退火、浸漆固化、切割成型的工藝路線已經成功制備出了各種形狀復雜的徑向磁場非晶定子鐵芯，并且該定子鐵芯應用于高速電機展示出了良好的性能（圖5-10）。

（4）其他電力電子器件

如前所述，非晶節能電力電子器件的種類多、用途廣。由于這些電力電子器件大多尺寸不大，對帶材寬度要求不高，技術難度低，投資小，所以發展較早，而且推廣也較普及，是國內眾多中小非晶節能材料生產企業的主要市場。

5.1.2.5　非晶合金產業資源現狀分析

與傳統冶金行業相比，非晶合金帶材的生產工藝具有噴帶一次成型，流程短、工藝簡單、節約能耗的特點，生產過程減少了“三廢”的排放。由于其生產過程周期更短、更節能、更環保的優點，因此，快速凝固工藝的發明被譽為冶金工藝的一次革命。

非晶合金帶材生產過程中，鋼液經過噴嘴細縫到達銅輥表面冷卻即形成最終的成品，質量不合格產品也很難進行后續加工彌補，生產周期短。生產工藝的特點決定了其產品質量控制需要在極短的時間內完成，生產工藝波動極易造成設備損壞和生產中斷，嚴重影響產品質量和生產效率。因此，生產設備精度要求高，控制難度大。另外，由于非晶節能材料的微觀結構和性能對雜質元素含量非常敏感，原材料選擇和生產過程中的雜質含量控制要求嚴格。

國內非晶節能材料生產企業除安泰科技的設備實現實時檢測和在線控制，設備自動化水平和控制精度較高外，其他大部分企業的設備簡易，有的甚至沒有基本的工藝參數檢測裝置和雜質含量控制、產品質量評價體系，生產控制和檢測完全依賴工人的經驗判斷。

非晶節能材料產業對物質資源的需要主要體現在高精度設備保障，雜質含量準確控制的原材料供應，高品質耐火材料等生產耗材供應等方面。受限于中國加工、制造業整體水平和國外的進出口限制，國內無法成套采購高水平非晶節能材料生產線及其關鍵零部件。安泰科技依靠企業自身多年的研究經驗和強大的人才隊伍，自行研發了自己的生產線，雖然整體與日立還有差距，但是已明顯領先于國內其他生產企業。裝備水平的進一步提升依然是非晶節能材料產業發展需要解決的一大問題。原材料供應方面，目前整個行業尚缺乏統一的雜質控制標準，各供應商供應的原材料雜質含量差別很大，且價格差別很大。耐火材料是非晶節能材料生產用的有限的幾種耗材之一，其質量直接影響生產工藝的穩定性和產品質量，由于非晶節能材料的合金成分和生產工藝特殊性，噴嘴材料、感應熔煉用坩堝耐火材料、除渣保溫材料、中間包耐火材料、塞桿用耐火材料等都需要進行針對性改良和設計，目前國內在這方面的研究大多是借鑒鋼鐵等傳統冶金行業，缺乏系統性和針對性。

能源方面，與其他冶金行業相比，非晶節能材料的生產過程生產工藝短，能源消耗量少，且只消耗電力資源，不涉及煤、天然氣等物質能源，無污染物排放顧慮。但是，非晶節能材料仍然屬于冶金行業，生產過程涉及母合金熔煉、二次熔煉等高耗能過程，投資該產業前需考慮電力保障。另外，由于非晶節能材料產業遠不能算成熟，各企業的生產工藝差別較大，生產工藝依然存在很大的改善空間，單位能耗仍然有很大改善空間。

人力資源方面，非晶節能材料產業屬于高科技含量產業，涉及冶金、金屬材料、機械自動化、耐火材料、電氣工程等眾多領域，本身對人力資源要求較高。另外，由于國內除安泰科技外大部分企業設備水平較低，工藝參數檢測、雜質含量控制、產品質量評價和設備維護保養等都對工人的經驗有很高的要求。安泰科技非晶產業的技術來源是國家非晶微晶合金工程技術研究中心，該中心憑借多年積累起來的技術、人才優勢成為安泰科技的人力資源保障。但是，由于國內開展非晶節能材料應用研究的高校和研究機構較少，人才培養模式比較單一，產學研結合不夠密切等原因，非晶節能材料產業需求的專業技術人才和管理人才資源極為匱乏，各企業為了解決眼前的困難，常依靠臨時引進的熟練工人，沒有合理的人才培養和培訓體制，已經明顯制約了產業的發展，并將在相當長的時間內制約產業的發展。

5.1.2.6　非晶合金產業地位分析

目前，我國年均生產配電變壓器2.4億千伏安，如30%改用非晶材料，年生產非晶變壓器為7200萬千伏安。以每臺變壓器500kV·A為例，年產非晶變壓器14.4萬臺，這將降低變壓器空載損耗13萬千瓦，一年可節約電11.4億千瓦時，相當于節約煤43.3萬噸，減少燃煤有害氣體1.1萬噸。因此，非晶合金變壓器的市場空間在未來的幾年內將會高速擴容。

（1）對經濟建設的推動作用

中國政府在2009年9月的聯合國氣候變化峰會上提出爭取到2020年，中國的單位國內生產總值二氧化碳排放（碳排放強度）比2005年顯著下降，這是中國節能減排政策的一個質變。隨著工業化、城鎮化加速發展，配電系統中節能降耗已是勢在必行。電力系統中電力變壓器的損耗占比突出。因此，非晶合金鐵芯變壓器必然是建設“環境友好型社會”的首選產品，其市場拓展空間巨大。非晶納米晶軟磁材料是有著遠大發展前景、正在茁壯成長、其地位和影響力趨于上升的產業，對于推進產業結構升級和經濟發展方式轉變，提升自主發展能力和國際競爭力，促進經濟可持續發展具有重要意義。

非晶合金鐵芯變壓器是用新型導磁材料——非晶合金制作鐵芯而成的變壓器，它比硅鋼片做鐵芯變壓器的空載損耗（指變壓器次級開路時，在初級測得的功率損耗）下降80%左右，空載電流（變壓器次級開路時，初級仍有一定的電流，這部分電流稱為空載電流）下降約85%，是目前節能效果較理想的配電變壓器，特別適用于農村電網和發展中地區等負載率較低的地方。非晶合金變壓器是配電網節能降耗的關鍵設備。變壓器損耗約占配電網損耗的30%～60%，其中空載損耗約占變壓器總損耗的50%～80%。非晶合金變壓器比傳統硅鋼變壓空載損耗下降約80%；配電網中特別是農網中很多變壓器的負載率低于20%，因此使用非晶合金變壓器替代傳統高能耗變壓器，節能效果顯著。如北京某城區供電公司配網運行592座開閉站（配電室、箱變），運行變壓器為1131臺，總容量90.6萬kV·A。運行變壓器多為S7/S8/S9 類型，運行負載率在10%以下的為79臺，約占7%；運行負載率在10%～50%的為1014臺，約占89.7%；負載率在50%以上的為38臺，占3.4%，整體負載率低，變壓器空載損耗大。農網配電變壓器更低，大部分都低于20%，因此如果采用非晶合金變壓器，可顯著降低變壓器空載損耗，降低線損并提高經濟效益。

（2）對環境保護的推動作用

因能源資源具有無法重復使用及消耗后不能再生的特性，所以能源資源只會愈來愈少，這就導致電價愈來愈高。且因全球二氧化碳排放愈來愈高，形成的溫室效應使全球氣候異常，氣候反常對人類的影響也日趨明顯。作為新一代名副其實的綠色環保重點產品，它可帶來少建電廠，減少溫室氣體排放，大大地減輕對環境的直接污染等良好的環保效益。非晶質鐵芯變壓器符合國家倡導的“節約資源，保護環境，建設節約性社會”的產業政策，發展正逢其時。

非晶合金鐵芯配電變壓器的最大優點是，空載損耗值特低。非晶合金變壓器若能完全替代新S9系列配變，如10kV級配電變壓器年需求量按5000萬千伏安計算時，那么一年便可節電100億千瓦時以上。同時，還可帶來少建電廠的良好的環保效益，少向大氣排放溫室氣體，這樣會大大地減輕對環境的直接污染，使其成為新一代名副其實的綠色環保產品。

就SCBH15-1250非晶合金變壓器與相同容量常規變壓器舉例說明。投資回報年限=設備差價/年運行電費差價。目前一臺SCBH15-1250非晶合金變壓器與相同容量相關常規變壓器的差價為59000元，每年平均理論經濟效益為13122元，則投資回報年限為N=59000/13122=4.5（年）。一般非晶合金變壓器銷售價格為常規變壓器的1.3倍，投資回報年限為4.5年。

非晶合金電機在效率上比傳統電機有了很大的提升，但是在電機體積和重量上卻大大減小，從而極大提升了能源和資源的利用率。非晶合金電機未來將是替代傳統電機的下一代高效電機，前景一片光明。

以我國2009年發電量為36506億千瓦時計算，其中近70%電力都要通過電機轉換為機械能應用于生產生活中，目前我國傳統電機的效率平均僅為50%左右，即12780億千瓦時的電力在轉化過程中被白白地損失，如果全國10%的電機應用非晶合金電機可以節約1200億千瓦時發電量，約相當于1.5個三峽水電站的年發電量（2009年三峽發電站的年發電總量為846.8億千瓦時），同時非晶合金電機可減少60%鋼材使用量、50%的銅材使用量。

（3）對新基建的推動作用

新基建中，5G基站、光伏逆變器、軌道交通變壓器、新能源汽車及充電樁、大數據中心變電站以及特高壓控制柜等關鍵配套設備或者元器件對非晶合金材料有重大需求。

5G關鍵電感要求容量范圍大、體積超小、額定電壓高、高頻特性好等特性。5G基礎建設帶來被動元件需求的增加。5G的高傳輸速度和廣覆蓋將需要搭建更多更復雜的基站，帶來非晶合金材料制作的電感需求的攀升。5G基站功率放大器需要實現更大的輸出功率和更高的工作頻率，對相關器件成本材料的需求增大。而在介質濾波器和表面聲波濾波器方面，隨著頻率的提升和精度要求的提高，器件設計將轉向新型材料的支撐。更多指標顯示，非晶合金材料符合這些器件的功能要求。

城市軌道交通動力照明負荷率較低，非運營時間接近空載，非晶變壓器通過掛網實測，能大大降低供電系統的自損耗。非晶干式變壓器有著明顯的節能優勢，噪聲滿足規范要求，不影響推廣應用，尺寸和重量不影響建筑規模及安裝，壽命比硅鋼變壓器更長，綜合經濟效益非常可觀。根據城市軌道交通牽引負荷的特點，非晶變壓器作為整流變壓器應用于城市軌道交通，節能前景較為廣闊。2019年，上海地鐵1～17號線設計使用了“35kV干式非晶合金牽引整流變壓器”，該變壓器可持續使用30～40年，比原先節能70%。另外，北京地鐵8號線、燕房線實際工程中完成了示范應用。其他城市如廣州、南京、成都等城市軌道交通均把非晶變壓器作為首選。

目前新能源汽車單車粉芯模壓電感用量平均已經超過1000只，高端汽車的用量則達到10000只/輛，且仍在繼續增長。非晶和納米晶材料由于其特殊的結構和優異的綜合軟磁性能，主要用途是制造各類中高頻變壓器、高性能電感和濾波器、高精度電磁測量和傳感器，以及高性能電磁屏蔽和吸波材料等。電動汽車的電驅動系統、電控系統、充電系統以及充電樁用到大量的磁性器件，非晶和納米晶合金是目前最為理想的軟磁材料。特斯拉Modle3單車非晶等模壓電感用量約為9200只，Modle S和Modle X的單車用量均在10000只以上。

2020年全國規劃建設1.2萬個充電站和480萬個充電樁。充電站位于商業中心、行政中心、居民中心等人員密集地方，充電站的需求對所用變壓器提出了新的要求，所用干式變壓器（簡稱干變）需要更環保、更安全、更可靠和體積緊湊。非晶立體卷鐵芯敞開式干變具有低損耗低噪聲、防火防爆、過負荷能力強、體積小、諧波濾除效果好等特點，相比傳統干變更適合新能源汽車充電站的使用要求，具有廣闊的發展前景。

大數據中心能夠為經濟高質量發展提供堅實的“數字底座”。綠色數據中心更是這個時代的呼喚，建設高等級綠色、節能環保的新一代數據中心更是IT人不懈的追求和目標。數據顯示，機房電費占據IDC總成本的一半。百度在山西陽泉建立數據中心，建設團隊選擇采用了非晶合金變壓器；京東的第一個自建數據中心在江蘇宿遷總投資30億元，建設團隊選擇采用了非晶合金變壓器，與普通干式變壓器技術參數相比較，空載損耗下降65%～70%。