非晶合金材料发展趋势及启示.docx

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1、非晶合金材料发展趋势及启示摘要：金属材料的发展与人类文明和进步息息相关。非晶合金材料是一类原子结构长程无序，具有独特优异性能的新型金属材料。近年来，非晶合金材料的研发、相关科学问题的研究、在高新技术领域的应用得到快速发展，并对金属材料的设计和研发、结构材料、绿色节能材料、磁性材料、催化材料、信息材料等领域产生深刻的影响。为此，文章在回顾非晶合金材料研究和研发历史过程的基础上，分析了当前其学科的前沿科学问题、发展方向，以及我国在该领域发展的问题、机遇和挑战，并提出相应的启示和建议，以期为加快新金属材料的发展，特别是在高新技术领域的应用提供管窥之见。金属材料与人类万年文明发展史息息相关，金属材料的

2、开发和使用，往往成为划分人类不同文明时代的里程碑，如青铜时代、铁器时代、钢铁时代等。每次金属材料的发展都会极大地推动人类社会文明和生产力的巨大进步。非晶合金是近几十年来通过现代冶金新技术快速凝固技术和燧调控理念一一抑制合金熔体原子的结晶，保持和调控熔体无序结构特征而得到的一类新型金属材料，也称金属玻璃，或液态金属。这种材料是通过调制材料结构“序”或“嫡”这一全新途径和理念而合成的，兼具玻璃、金属、固体、液体等物质特性的新金属材料；其颠覆了传统金属材料从成分和缺陷出发设计和制备的思路（图1）,突破金属材料原子结构有序的固有概念，把金属材料的强度、韧性、弹性、抗腐蚀、抗辐照等性能指标提升到前所未有

3、的高度，改变了古老金属结构材料的面貌。非晶、高端等无序合金在基础研究和技术应用中已表现出重要意义和战略价值，在能源、信息、环保节能、航空航天、医疗卫生和国防等高新技术领域发挥着愈加重要作用。无序合金领域的基础研究将继续推动材料科技革命和对材料行为的更深入理解，并能产生新的材料设备和系统。材料探索的新途径和方向：螭调控传统方法调控成分结构、一新材料相变缺陷控制 优化性能非晶、高嫡材料是通过控控序/嫡探索出的材料！成分调控钛合金铝合金钢铁铁器工F陶费石器、骨头序/螭调控Si55m77?非晶图1非晶合金等无序材料探索途径和传统晶态材料探索途径的比较1非晶合金材料的研发态势及进展1.1 非晶合金研发态

4、势非晶合金材料的研发出现过4次高峰，已研发出铁、铜、错和稀土基等近百种非晶合金体系。第1次高峰期在I960年左右，美国加州理工大学的杜维兹教授发明了快速凝固冶金技术，首次制备出非晶合金。第2次高峰期在20世纪80年代前后，在日本和美国等国家主导下，开发了非晶合金条带工业化技术、非晶合金粉末和薄膜制备技术，以及非晶合金软磁应用等。第3次高峰期在20世纪90年代，主要由日本和美国主导；这个时期通过成分调控，极大提高金属熔体的粘滞系数，将非晶合金的临界尺寸从微米级提高到厘米级，非晶合金材料从此进入大块合金时代，极大地拓展了其应用范围和领域。第4次高峰期在2000年以后，由美国和中国主导，中国近年非晶

5、合金专利占比约76%；主要技术和进展涉及铁基、铜基、错基等大块非晶合金制备和应用、带材在配电变压器、软磁芯方面的大规模应用，高牖合金材料、高牖非晶材料的发明，以及牖调控研发无序合金等概念的提出等。无序合金主要包含非晶合金和高端合金。非晶合金的主要特点是成分无序、结构长程无序；高牖合金的主要特征是结构有序但成分无序。未来的无序合金发展趋势是开发新一代高性能、突破现有尺寸限制、低成本、具有功能特性的材料，拓展其在高频电机、航天和汽车、信息技术等领域的应用。2021年的诺贝尔物理学奖授予意大利科学家乔治帕里西(G. Parisi),以表彰他对理解复杂无序物理系统的开创性贡献，也说明无序体系本身研究的

6、重要科学意义。非晶和高燧等无序合金作为相对简单的无序体系，为研究物理和材料科学的基本问题提供了模型体系，将极大地推动复杂无序体系研究的发展。1.2 我国无序合金研发已跃升国际一流水平我国的非晶合金研发起步于20世纪70年代,当时美国、日本、苏联，以及德国、英国等欧洲国家是这个领域最活跃的国家。目前，日本和欧洲杰出科学家大多都已经退休，高水平后继者远不如以前多，技术和水平已逐渐落后。美国非晶合金材料领域研发经费较少，缺乏优秀的年轻科学家和技术队伍；目前，美国主要侧重非晶合金基础物理、模拟和机理研究，而应用探索主要集中在航空航天等高技术领域。目前，我国的非晶合金科研人员占全球2/3,年轻研究人员水

7、平越来越高，研发水平已超过日本和欧盟，与美国相当，成为世界第一梯队。例如，迄今已在36个金属元素为基体的合金中找到能制备块体非晶合金组分，其中我国发现28个。特别是近10年来，无序合金最重要的进展是研发出高端合金。高端合金是根植于端调控设计思想开发出的化学成分复杂、没有主元素、结构有序、成分无序的无序合金材料,其极大拓展了材料开发的空间。高燧合金已展现出诸多奇特超凡的性能，其研究及应用已成为金属材料领域的研究热点。很多国外开发的高燃合金有明显的军事装备需求的应用导向。我国台湾地区的科研人员，在非晶合金基础上首先研发出高端合金，引领了无序合金领域的发展。我国无序合金研发能够跃升国际一流是与我国科

8、技投入的不断增加、基础研究的长期积累、制造业大国对新金属材料的产业需求，以及后备年轻人才辈出（国内培养和海外归国）密切相关。非晶合金领域基础研究的长期积累为这类新材料的工业应用提供了支撑和动力。同时，相关的基础研究也从工业应用中汲取问题来源和进步源泉。1.3 基础科学问题对非晶合金材料研发的制约基础科学难题是目前制约无序合金材料发展的最大瓶颈。由于无序结构的复杂性，现有固体物理和材料科学理论、模型和研究范式都无法有效解释和描述其结构及结构与性能关系、新现象，急需科学新理论、新方法和新范式。非晶合金材料领域当前面临四大类基础科学问题：玻璃转变机制，即合金液体如何凝聚成结构长程无序、能量亚稳定的非

9、晶态；形变机制，即结构无序合金体系如何耗散外力作用发生形变，其耗散能量的结构单元的标定；非晶结构还没有统一模型能有效描述；没有建立结构与性能、形成、形变之间的关系，这阻碍了非晶材料的高效研发、性能设计和调控。基础研究方面的突破性进展才能极大促进新型高性能无序合金材料的高效研发和性能优化。2非晶合金产业前景和挑战2.1 非晶合金的主要应用场景作为结构和功能一体化的新型金属材料，非晶合金产业化前景非常广阔。美国、日本、德国等国投入大量资金拓展其应用场景，并推动相关产业发展。美国液态金属科技、玻璃金属科技，日本日立金属，德国VAC,以及我国宜安、台一科技等公司在非晶合金领域的研发水平、市场竞争力及产

10、业规模均处全球领先水平。目前，非晶合金的主要应用领域有4个。（1）高性能结构材料。由于非晶合金具有高强度（钻基超过5GPa,轻质钛基超过2GPa）、高韧性（杷基超过200MPa/ml/2）,高弹性变形（2%）、自锐特性、抗辐照、抗腐蚀等特性，已经用作新一代的穿甲弹、破甲弹的战斗部、装甲材料等。空间装备通常会面临高温差、强辐照、强腐蚀、高应变等极端环境，对材料性能要求极高。非晶合金良好的综合性能可使其在空间环境冷热循环、空间环境高能粒子辐照等复杂环境中表现出高稳定性；其原子层级表面平整度，兼具低热膨胀系数及精密成形性能，有望作为空间反射镜的镜面材料聚焦阳光以实现月壤提炼、制氧等空间原位资源利用。

11、止匕外，非晶合金能够满足航天器大型展开机构苛刻的性能要求，是航天器弹性展开机构的关键材料。(2)软磁材料。非晶合金软磁及从非晶合金发展而来的纳米软磁和复合材料在软磁材料中的重要地位(图2)。由于具有高磁饱和强度、高磁导率、低矫顽力、低饱和磁致伸缩，以及极易完成磁化和去磁过程，非晶合金多项软磁性能远优于传统硅钢片材料及晶体磁性材料。铁、银、钻基非晶合金软磁条带、丝材和粉末已经广泛应用于各种变压器、电感器和传感器、磁屏蔽材料、无线电频率识别器等，是电力、电子和电子信息领域不可或缺的重要基础材料。以非晶合金为铁芯的配电变压器铁损仅为硅钢片的1/51/10。经估算，我国约30%60%电网损耗来自变压器

12、，即使只替代现有变压器的15%,其节电可达90亿度/年、CO2减排800万吨/年。非晶合金软磁制造技术也已经相当成熟，我国已成为继日本之后，世界上第二个拥有非晶合金变压器原材料量产能力的国家，已形成千亿级非晶铁芯高端制造产业集群，市场接近1000亿元人民币。非晶合金软磁材料还将很快大量应用于快速发展的电子信息领域。这些领域的各种电子设备大量应用于轻、薄、小和高度集成化的开关电源，所采用的手段是高频电子技术，这要求其中变压器和电感器的软磁铁芯适用于高频场合。具有高饱和磁感、高磁导率、低损耗、易于加工的块体非晶合金，可以直接熔铸或加工成各种复杂结构的微型铁芯，然后制成变压器或电感器，应用于各类电子

13、或通信设备中。但是，非晶带材制备过程产生缺陷导致其抗突发短路性能较差，以及非晶磁致伸缩导致的噪音大、脆性仍是世界级难题。电机是工业生产和社会生活极为重要的动力设备，其耗电量在各类电器设备中居首，全球电机用电量占世界总用电量50%以上，占工业用电70%左右。在高频下，非晶合金电机铁芯可显著降低电机损耗，将效率提高3%-20%o非晶合金电机功率密度高、重量轻、体积小、产生热量少，从而解决了传统高频器件中因需配备散热装置而导致体积过大的问题，有望在电动驱动、高速主轴、航空发电机和军事领域发挥重要作用。目前，国际尚未形成相关产业发展，松山湖材料实验室、中国科学院物理研究所等国内科研单位在国家自然科学基

14、金重大项目的资助下，正在进行实验室阶段新一代非晶软磁材料的研发；并且，将与安泰等企业合作开展相关应用技术开发。O硅钢二非晶合金图2软磁材料的发展历史(3)催化材料。非晶合金独特的无序结构和表面本征的不均匀性，造就了其丰富的高活性位点；与晶态材料较单一的活性位点相比，非晶合金具有独特的本征催化活性、很强的活化能力和较密集的活性中心。非晶合金催化剂可以在很宽的范围内改变组成，用成分来调节电子结构，以获得更理想的催化活性中心，从而改善传统的多相催化剂的反应物内扩散而影响表面反应的问题，其已经被广泛应用于石油工业、环保等领域。(4)制造业基础材料。非晶合金是制造业的基础材料。例如：基于非晶合金的柔性齿

15、轮弹性高于常规金属数十倍，具有结构简单、传动比大、体积小、寿命长等诸多优点，即使是在太空等严酷环境条件下也可以正常工作，并且不需在进沙粒后加润滑油，可用于火箭、卫星、飞机、坦克及雷达中的随动系统和真空密封传动，机器人手臂连接，以及精密测试领域等。例如，比亚迪公司通过改进铁基、铜基、错基非晶合金制备工艺，制造电池薄膜电极等。2.2 非晶合金材料产业化的挑战和机遇在很多科研成果的产业转化过程中都会因各种因素造成其失败，即在转化过程中存在“死亡谷(图3)。在非晶合金领域，我国相关专利申请量全球排名第一，但还缺少具有国际水平的龙头企业。虽然我国拥有庞大的非晶合金应用市场，但目前正在使用的材料多是基于国外早期开发的体系，很多国内研发的新非晶合金体系没有得到规模应用。国内强大的实验室非晶合金的研发能力和企业、市场关联性不强。在过去的十几年，我国块体非晶合金大规模工