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在古老的金屬材料領域，如何取得突破性進展丨非晶合金材料發(fā)展趨勢及啟示

2022-05-05 16:45:51 作者：今日新材料來源：今日新材料分享至：

金屬材料與人類萬年文明發(fā)展史息息相關，金屬材料的開發(fā)和使用，往往成為劃分人類不同文明時代的里程碑，如青銅時代、鐵器時代、鋼鐵時代等。每次金屬材料的發(fā)展都會極大地推動人類社會文明和生產力的巨大進步。

非晶合金是近幾十年來通過現代冶金新技術——快速凝固技術和熵調控理念——抑制合金熔體原子的結晶，保持和調控熔體無序結構特征而得到的一類新型金屬材料，也稱金屬玻璃，或液態(tài)金屬。這種材料是通過調制材料結構“序”或“熵”這一全新途徑和理念而合成的，兼具玻璃、金屬、固體、液體等物質特性的新金屬材料；其顛覆了傳統金屬材料從成分和缺陷出發(fā)設計和制備的思路（圖？1），突破金屬材料原子結構有序的固有概念，把金屬材料的強度、韌性、彈性、抗腐蝕、抗輻照等性能指標提升到前所未有的高度，改變了古老金屬結構材料的面貌。非晶、高熵等無序合金在基礎研究和技術應用中已表現出重要意義和戰(zhàn)略價值，在能源、信息、環(huán)保節(jié)能、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生和國防等高新技術領域發(fā)揮著愈加重要作用。無序合金領域的基礎研究將繼續(xù)推動材料科技革命和對材料行為的更深入理解，并能產生新的材料設備和系統。

圖 1 非晶合金等無序材料探索途徑和傳統晶態(tài)材料探索途徑的比較

1 非晶合金材料的研發(fā)態(tài)勢及進展

非晶合金研發(fā)態(tài)勢

非晶合金材料的研發(fā)出現過？4?次高峰，已研發(fā)出鐵、銅、鋯和稀土基等近百種非晶合金體系。第？1?次高峰期在？1960?年左右，美國加州理工大學的杜維茲教授發(fā)明了快速凝固冶金技術，首次制備出非晶合金。第？2?次高峰期在？20?世紀？80?年代前后，在日本和美國等國家主導下，開發(fā)了非晶合金條帶工業(yè)化技術、非晶合金粉末和薄膜制備技術，以及非晶合金軟磁應用等。第？3?次高峰期在？20?世紀？90?年代，主要由日本和美國主導；這個時期通過成分調控，極大提高金屬熔體的粘滯系數，將非晶合金的臨界尺寸從微米級提高到厘米級，非晶合金材料從此進入大塊合金時代，極大地拓展了其應用范圍和領域。第？4?次高峰期在？2000?年以后，由美國和中國主導，中國近年非晶合金專利占比約？76%；主要技術和進展涉及鐵基、銅基、鋯基等大塊非晶合金制備和應用、帶材在配電變壓器、軟磁芯方面的大規(guī)模應用，高熵合金材料、高熵非晶材料的發(fā)明，以及熵調控研發(fā)無序合金等概念的提出等。無序合金主要包含非晶合金和高熵合金。非晶合金的主要特點是成分無序、結構長程無序；高熵合金的主要特征是結構有序但成分無序。

未來的無序合金發(fā)展趨勢是開發(fā)新一代高性能、突破現有尺寸限制、低成本、具有功能特性的材料，拓展其在高頻電機、航天和汽車、信息技術等領域的應用。2021?年的諾貝爾物理學獎授予意大利科學家喬治·帕里西（G. Parisi），以表彰他對理解復雜無序物理系統的開創(chuàng)性貢獻，也說明無序體系本身研究的重要科學意義。非晶和高熵等無序合金作為相對簡單的無序體系，為研究物理和材料科學的基本問題提供了模型體系，將極大地推動復雜無序體系研究的發(fā)展。

我國無序合金研發(fā)已躍升國際一流水平

我國的非晶合金研發(fā)起步于20世紀70年代，當時美國、日本、蘇聯，以及德國、英國等歐洲國家是這個領域最活躍的國家。目前，日本和歐洲杰出科學家大多都已經退休，高水平后繼者遠不如以前多，技術和水平已逐漸落后。美國非晶合金材料領域研發(fā)經費較少，缺乏優(yōu)秀的年輕科學家和技術隊伍；目前，美國主要側重非晶合金基礎物理、模擬和機理研究，而應用探索主要集中在航空航天等高技術領域。目前，我國的非晶合金科研人員占全球2/3，年輕研究人員水平越來越高，研發(fā)水平已超過日本和歐盟，與美國相當，成為世界第一梯隊。例如，迄今已在36個金屬元素為基體的合金中找到能制備塊體非晶合金組分，其中我國發(fā)現28個。

特別是近10年來，無序合金最重要的進展是研發(fā)出高熵合金。高熵合金是根植于熵調控設計思想開發(fā)出的化學成分復雜、沒有主元素、結構有序、成分無序的無序合金材料，其極大拓展了材料開發(fā)的空間。高熵合金已展現出諸多奇特超凡的性能，其研究及應用已成為金屬材料領域的研究熱點。很多國外開發(fā)的高熵合金有明顯的軍事裝備需求的應用導向。我國臺灣地區(qū)的科研人員，在非晶合金基礎上首先研發(fā)出高熵合金，引領了無序合金領域的發(fā)展。

我國無序合金研發(fā)能夠躍升國際一流是與我國科技投入的不斷增加、基礎研究的長期積累、制造業(yè)大國對新金屬材料的產業(yè)需求，以及后備年輕人才輩出（國內培養(yǎng)和海外歸國）密切相關。非晶合金領域基礎研究的長期積累為這類新材料的工業(yè)應用提供了支撐和動力。同時，相關的基礎研究也從工業(yè)應用中汲取問題來源和進步源泉。

基礎科學問題對非晶合金材料研發(fā)的制約

基礎科學難題是目前制約無序合金材料發(fā)展的最大瓶頸。由于無序結構的復雜性，現有固體物理和材料科學理論、模型和研究范式都無法有效解釋和描述其結構及結構與性能關系、新現象，急需科學新理論、新方法和新范式。非晶合金材料領域當前面臨四大類基礎科學問題：

1. 玻璃轉變機制，即合金液體如何凝聚成結構長程無序、能量亞穩(wěn)定的非晶態(tài)；

2. 形變機制，即結構無序合金體系如何耗散外力作用發(fā)生形變，其耗散能量的結構單元的標定；

3. 非晶結構還沒有統一模型能有效描述；

4. 沒有建立結構與性能、形成、形變之間的關系，這阻礙了非晶材料的高效研發(fā)、性能設計和調控。基礎研究方面的突破性進展才能極大促進新型高性能無序合金材料的高效研發(fā)和性能優(yōu)化。

2 非晶合金產業(yè)前景和挑戰(zhàn)

非晶合金的主要應用場景

作為結構和功能一體化的新型金屬材料，非晶合金產業(yè)化前景非常廣闊。美國、日本、德國等國投入大量資金拓展其應用場景，并推動相關產業(yè)發(fā)展。美國液態(tài)金屬科技、玻璃金屬科技，日本日立金屬，德國？VAC，以及我國宜安、臺一科技等公司在非晶合金領域的研發(fā)水平、市場競爭力及產業(yè)規(guī)模均處全球領先水平。目前，非晶合金的主要應用領域有？4?個。

1 高性能結構材料

由于非晶合金具有高強度（鈷基超過5GPa，輕質鈦基超過2GPa）、高韌性（鈀基超過？200 MPa/m1/2）、高彈性變形（2%）、自銳特性、抗輻照、抗腐蝕等特性，已經用作新一代的穿甲彈、破甲彈的戰(zhàn)斗部、裝甲材料等。空間裝備通常會面臨高溫差、強輻照、強腐蝕、高應變等極端環(huán)境，對材料性能要求極高。非晶合金良好的綜合性能可使其在空間環(huán)境冷熱循環(huán)、空間環(huán)境高能粒子輻照等復雜環(huán)境中表現出高穩(wěn)定性；其原子層級表面平整度，兼具低熱膨脹系數及精密成形性能，有望作為空間反射鏡的鏡面材料聚焦陽光以實現月壤提煉、制氧等空間原位資源利用。此外，非晶合金能夠滿足航天器大型展開機構苛刻的性能要求，是航天器彈性展開機構的關鍵材料。

2 軟磁材料

非晶合金軟磁及從非晶合金發(fā)展而來的納米軟磁和復合材料在軟磁材料中的重要地位（圖？2）。由于具有高磁飽和強度、高磁導率、低矯頑力、低飽和磁致伸縮，以及極易完成磁化和去磁過程，非晶合金多項軟磁性能遠優(yōu)于傳統硅鋼片材料及晶體磁性材料。鐵、鎳、鈷基非晶合金軟磁條帶、絲材和粉末已經廣泛應用于各種變壓器、電感器和傳感器、磁屏蔽材料、無線電頻率識別器等，是電力、電子和電子信息領域不可或缺的重要基礎材料。以非晶合金為鐵芯的配電變壓器鐵損僅為硅鋼片的？1/5—1/10。經估算，我國約？30%—60%?電網損耗來自變壓器，即使只替代現有變壓器的？15%，其節(jié)電可達？90?億度/年、CO2?減排？800?萬噸/年。非晶合金軟磁制造技術也已經相當成熟，我國已成為繼日本之后，世界上第二個擁有非晶合金變壓器原材料量產能力的國家，已形成千億級非晶鐵芯高端制造產業(yè)集群，市場接近？1?000?億元人民幣。非晶合金軟磁材料還將很快大量應用于快速發(fā)展的電子信息領域。這些領域的各種電子設備大量應用于輕、薄、小和高度集成化的開關電源，所采用的手段是高頻電子技術，這要求其中變壓器和電感器的軟磁鐵芯適用于高頻場合。具有高飽和磁感、高磁導率、低損耗、易于加工的塊體非晶合金，可以直接熔鑄或加工成各種復雜結構的微型鐵芯，然后制成變壓器或電感器，應用于各類電子或通信設備中。但是，非晶帶材制備過程產生缺陷導致其抗突發(fā)短路性能較差，以及非晶磁致伸縮導致的噪音大、脆性仍是世界級難題。電機是工業(yè)生產和社會生活極為重要的動力設備，其耗電量在各類電器設備中居首，全球電機用電量占世界總用電量？50%?以上，占工業(yè)用電？70%?左右。在高頻下，非晶合金電機鐵芯可顯著降低電機損耗，將效率提高？3%—20%。非晶合金電機功率密度高、重量輕、體積小、產生熱量少，從而解決了傳統高頻器件中因需配備散熱裝置而導致體積過大的問題，有望在電動驅動、高速主軸、航空發(fā)電機和軍事領域發(fā)揮重要作用。目前，國際尚未形成相關產業(yè)發(fā)展，松山湖材料實驗室、中國科學院物理研究所等國內科研單位在國家自然科學基金重大項目的資助下，正在進行實驗室階段新一代非晶軟磁材料的研發(fā)；并且，將與安泰等企業(yè)合作開展相關應用技術開發(fā)。

圖 2 軟磁材料的發(fā)展歷史

3 催化材料

非晶合金獨特的無序結構和表面本征的不均勻性，造就了其豐富的高活性位點；與晶態(tài)材料較單一的活性位點相比，非晶合金具有獨特的本征催化活性、很強的活化能力和較密集的活性中心。非晶合金催化劑可以在很寬的范圍內改變組成，用成分來調節(jié)電子結構，以獲得更理想的催化活性中心，從而改善傳統的多相催化劑的反應物內擴散而影響表面反應的問題，其已經被廣泛應用于石油工業(yè)、環(huán)保等領域。

4 制造業(yè)基礎材料

非晶合金是制造業(yè)的基礎材料。例如：基于非晶合金的柔性齒輪彈性高于常規(guī)金屬數十倍，具有結構簡單、傳動比大、體積小、壽命長等諸多優(yōu)點，即使是在太空等嚴酷環(huán)境條件下也可以正常工作，并且不需在進沙粒后加潤滑油，可用于火箭、衛(wèi)星、飛機、坦克及雷達中的隨動系統和真空密封傳動，機器人手臂連接，以及精密測試領域等。例如，比亞迪公司通過改進鐵基、銅基、鋯基非晶合金制備工藝，制造電池薄膜電極等。

非晶合金材料產業(yè)化的挑戰(zhàn)和機遇

在很多科研成果的產業(yè)轉化過程中都會因各種因素造成其失敗，即在轉化過程中存在“死亡谷”（圖？3）。在非晶合金領域，我國相關專利申請量全球排名第一，但還缺少具有國際水平的龍頭企業(yè)。雖然我國擁有龐大的非晶合金應用市場，但目前正在使用的材料多是基于國外早期開發(fā)的體系，很多國內研發(fā)的新非晶合金體系沒有得到規(guī)模應用。國內強大的實驗室非晶合金的研發(fā)能力和企業(yè)、市場關聯性不強。在過去的十幾年，我國塊體非晶合金大規(guī)模工業(yè)應用的瓶頸一直沒有被突破。

圖 3 松山湖材料實驗室全鏈條材料研發(fā)模式

非晶合金科研成果的成功市場轉化需要人才、技術、資本、管理方面的有機結合。國內已有十幾年的非晶合金基礎和應用研究積累，有蓬勃發(fā)展的、最健全的制造業(yè)和較低的產業(yè)化門檻，新一代塊體非晶合金的應用研究極有可能在中國取得突破性進展。例如，廣東的松山湖材料實驗室聚集各種創(chuàng)新轉化的充足資源，包括人才、資本、產業(yè)集群，還有政府支持的新機制和靈活的政策等，形成一種健康的、有利于科技成果產業(yè)化的優(yōu)越環(huán)境；期待能和相關企業(yè)一起共同開發(fā)出面向第三代半導體電子元件的高頻軟磁、柔性齒輪、高性能？3C?器件等非晶合金材料。

目前，用于器件電源和電感的軟磁材料飽和磁感低、高頻損耗高，這嚴重制約了氮化鎵、碳化硅等第三代半導體電子元件提高功率密度和工作頻率，使其優(yōu)勢難以充分發(fā)揮。研制匹配第三代半導體器件功率密度和工作頻率的軟磁材料，有望促進第三代半導體在大功率、高頻器件中的應用，進而推動？5G?通信基站、衛(wèi)星通信、雷達航空、智能汽車等關鍵領域的發(fā)展。同時，國內相關研究所、大學也在和宜安、臺一、青島云路等國內企業(yè)合作，努力把非晶合金、高熵合金推向綠色節(jié)能、環(huán)保，以及超靈敏的探測器和傳感器材料、航天材料、機器人等應用領域。

3 無序合金材料發(fā)展的啟示與建議

新材料產業(yè)是戰(zhàn)略性、基礎性產業(yè)，也是高科技競爭的關鍵領域，新的結構材料或功能材料的發(fā)展將會對科技和社會發(fā)展產生重要影響。在金屬材料領域，非晶、高熵等無序合金作為新金屬材料，具有廣泛應用場景，且我國已具備國際先進的科技研發(fā)優(yōu)勢；通過在金屬材料這個老材料領域中引入新理念，創(chuàng)造性工藝和技術，發(fā)展豐富產業(yè)應用場景，完全可使得金屬材料研究和產業(yè)在國內有個飛躍發(fā)展，帶動金屬材料產業(yè)升級。為了在新的歷史時期順應科技成果轉化發(fā)展的規(guī)律，加快推動無序合金材料研發(fā)新模式的建立，優(yōu)化無序合金的研發(fā)體制，提出？5?點建議。

1 重視非晶和高熵等無序合金關鍵基礎科學和技術問題攻關

非晶等無序合金研究和應用中仍有大量關鍵科學和技術問題尚未解決。建議搭建研究機構和企業(yè)合作創(chuàng)新平臺和無序合金研究中心，聚焦解決制約無序合金大規(guī)模應用的重大基礎科學問題和技術瓶頸，包括：探索無序合金形成規(guī)律及影響因素；引入新的材料研發(fā)理念，發(fā)展新的制備方法和表征技術；與材料數據庫結合，實現按需設計開發(fā)新的無序合金材料；開發(fā)塊材無序合金規(guī)模化制備加工裝備和技術。

2 推動非晶等無序合金與多學科交叉融合

當今科研和技術應用、科技機構、科學探索和產業(yè)研發(fā)之間的邊界正在流動且日益模糊。如何處理上述互動關系成為非晶合金研發(fā)和應用重要機制問題。目前，我國非晶合金產業(yè)化水平滯后于科技發(fā)展，企業(yè)創(chuàng)新能力和規(guī)模不夠。建議：

1.國家層面組織凝練和聚焦影響無序合金發(fā)展前景的關鍵應用技術和科學問題，有計劃、有部署地對其提供持續(xù)性資助，科研院所、高校、企業(yè)聯合攻關；國家層面研發(fā)資源與企業(yè)資源緊密融合，發(fā)展完整非晶合金材料“設計—研發(fā)—應用”全鏈條研究和應用模式，挖掘更多應用場景，實現其在更多領域的應用。例如，對技術較成熟的非晶合金軟磁，開發(fā)新一代高性能材料，實現制備流程自動化和智能化，提升市場占有率并積極開拓國際市場。

2.促進非晶合金材料在重大交叉領域取得跨越式發(fā)展。例如，在軟物質領域，非晶合金與軟物質交叉研究可凝練出共同的前沿問題，建立普適理論框架；在信息領域，推動非晶合金滿足后摩爾時代信息材料對多功能特性的集成要求；在新能源領域，利用非晶合金獨特結構特征、力學和電化學性能，使其成為極具潛力新型儲氫材料、節(jié)能材料；在生物醫(yī)藥領域，非晶合金高強度、低彈性模量及較好生物相容性，使其作為生物植入物具有良好應用前景。

3 引入材料基因工程、人工智能，大數據等新理念，并發(fā)揮科學大裝置的作用

21?世紀以來，大數據、人工智能、信息技術快速發(fā)展，從而深刻地改變材料研發(fā)的格局和范式，極大地推動材料研發(fā)和應用的進步。初步研究表明，材料基因工程、人工智能、大數據等新理念和新方法，以及中子散射、阿秒激光等大科學裝置對非晶合金材料的研發(fā)將產生顛覆性影響，可極大提高研發(fā)和應用效率和成本。

4 提升產業(yè)底層基礎技術，全面帶動無序合金材料產業(yè)升級

新的無序合金，如第三代塊體非晶合金、高熵合金研究進展很大，但是目前我國非晶合金產業(yè)仍主要是第一代的非晶條帶和粉末，亟待產業(yè)升級。科研單位和科學家要通過合作幫助企業(yè)培養(yǎng)人才，提高其技術水平，并尋求新的應用場景和市場。通過帶動非晶合金產業(yè)的升級，反過來促使無序合金基礎研究的發(fā)展。通過機制設計，發(fā)揮財政資金的杠桿作用，加大國家對基礎研究的投入力度，帶動、提升地方和企業(yè)的科技投入水平，發(fā)揮市場對創(chuàng)新資源配置的決定性作用；同時，鼓勵社會和企業(yè)資金參與，形成多元化非晶合金研發(fā)資源投入機制。

5 重視新形勢和新時期的學術交流和國際合作

非晶合金研發(fā)和應用要重視和充分利用信息時代的便利，促使非晶合金科學普及，宣傳無序合金材料對社會帶來的重大影響；同時，探索建立非晶合金研發(fā)、數據庫和應用網絡化平臺，不同類型的新型研發(fā)機構模式和人才培養(yǎng)平臺。

總之，在古老的金屬材料領域，通過引入新的工藝、技術和研發(fā)理念，也能取得突破性進展。通過優(yōu)化研發(fā)體制，研發(fā)全鏈條模式的建立，將促進新金屬材料的大規(guī)模應用，推動社會、科技和文明的進步。

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