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劃時代的金屬材料——非晶合金國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)及科研發(fā)展分析!

 前沿材料 2020-09-17

非晶合金(Amorphous Alloys)又稱金屬玻璃,是指在原子尺度上長程無序、短程有序排列的一類合金材料。其微觀結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)晶態(tài)合金不同,內(nèi)部并不存在晶粒和晶界。獨特的材料結(jié)構(gòu)使得該合金具有高比強、大彈性變形能力、強耐腐蝕性、低熱膨脹系數(shù)、高耐磨性、優(yōu)異軟磁等性能,可廣泛應用于電子信息、航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域,市場需求量大,產(chǎn)業(yè)化前景十分廣闊。

各個國家都相當重視非晶合金領(lǐng)域的研發(fā)工作。1994年至2018年全球公開專利數(shù)量統(tǒng)計,以每五年為一個時間節(jié)點,分別對日本、美國、德國和中國的專利申請數(shù)量進行了統(tǒng)計。在過去15年間,全球申請數(shù)量呈穩(wěn)步上升趨勢。日本、美國與德國在此領(lǐng)域起步較早,中國自21世紀初期也開始發(fā)力,逐步趕超日本、美國和德國。

國際上,美國、日本、德國等國家紛紛投入大量資金支持非晶合金的研究,推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。其中以美國 Liquidmetal Technologies、Glassimetal Technologies、日本日立金屬株式會社、德國 VAC 等為代表的企業(yè)研發(fā)水平、市場競爭力及產(chǎn)業(yè)規(guī)模,均處于全球領(lǐng)先水平。2018年10月16日,美國 Liquidmetal Technologies成功使用非晶合金 LM105 制造起搏器外殼,使其具有卓越的強度和彈性,可承受巨大壓力,同時大幅降低了成本,可長時間植入人體且不會對身體造成傷害。

目前我國已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的非晶合金主要以帶材的形式呈現(xiàn),以鐵基非晶合金在配電變壓器中的應用最為成熟。我國非晶帶材技術(shù)與國外基本無差異,帶材質(zhì)量極具競爭力,在配電變壓器的應用上節(jié)能效果非常明顯。目前國內(nèi)生產(chǎn)非晶合金的公司主要有安泰科技股份有限公司、青島云路新能源科技有限公司、東莞宜安科技股份有限公司等。其中安泰科技股份有限公司、青島云路先進材料技術(shù)股份有限公司等企業(yè)主要關(guān)注非晶和納米晶帶材的研發(fā)生產(chǎn),而東莞宜安科技股份有限公司是具備大塊非晶金屬成型能力的企業(yè)。

2018年至今國外有多個科研團隊在非晶合金制備、結(jié)構(gòu)認知、機理研究等方面取得了新的進展。為代替昂貴的Pd/Pd-Ag分離膜,美國內(nèi)華達大學S.Sarker 團隊開發(fā)了 Ni-Nb-Zr 非晶合金,此材料在200℃~400℃表現(xiàn)出了較高的氫滲透性。原子探針斷層掃描證實該非晶合金內(nèi)部確實存在相分離,在三元非晶基底上形成了納米級富Nb和富Zr非晶的復合結(jié)構(gòu)。基于密度泛函理論(DFT)模擬發(fā)現(xiàn)這些局域原子團簇結(jié)構(gòu)多由二十面體組成。

此外,也有些研究團隊專注于非晶合金服役性能、變形機理等方面的研究。2018年10月,日本東北大學 Sergey V. Ketov 團隊研究了低溫熱循環(huán)處理對不同成分的金屬玻璃力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)低溫熱循環(huán)既可以誘導結(jié)構(gòu)活化也可能導致金屬玻璃結(jié)構(gòu)弛豫,從而導致材料塑性增加或者降低。

近年來,我國科研工作者緊跟世界發(fā)展前沿,在非晶合金領(lǐng)域的多個方向都取得了突破性進展,科研成果頗豐。2019 年5月1日,中科院物理研究所汪衛(wèi)華院士、柳延輝研究員團隊設(shè)計了一種由銥(Ir)、鎳(Ni)、鉭(Ta)三種金屬和硼組合形成的非晶合金,其玻璃轉(zhuǎn)變溫度高達1162K,且過冷液相區(qū)為136K,比大多數(shù)金屬玻璃都寬。同時,這種合金在1000K下的強度為3.7GPa。作者用簡化的高通量組合方式,利用玻璃形成能力和電阻率之間的相關(guān)性篩選了一些有前景的合金,這種設(shè)計方法具有實用性,為發(fā)現(xiàn)其他具有高性能的玻璃態(tài)合金提供了新思路;2019年1月19日,北京科技大學的呂昭平教授和李宏祥副研究員發(fā)表的綜述文章呈現(xiàn)了過去20多年來有關(guān)鐵基塊體非晶合金的研究進展和取得的成果,包含制備、玻璃形成能力、結(jié)晶特性、力學性能、腐蝕行為、磁學性能和工業(yè)應用等幾個方面。此外,文章基于作者的理解指出了這一學科領(lǐng)域未來的發(fā)展方向;此外我國在鐵基非晶合金設(shè)計方面、非晶合金模擬研究方面、非晶合金變形機理方面都有一定的進展。

產(chǎn)業(yè)上,鐵磁非晶合金由于具有優(yōu)異的磁學性能,已逐步取代傳統(tǒng)的硅鋼片,被大量用作變壓器的磁芯。在航天航空應用中,非晶合金因其低膨脹系數(shù)可以很好地適應空間溫度的變化,可用來制備成盤壓桿、衛(wèi)星探測器的撐桿。但由于大塊非晶合金及其復合材料的應用仍然面臨著成分、結(jié)構(gòu)、性能、工藝、成本等諸多難題,其初步產(chǎn)業(yè)化仍然只是非晶應用進程的冰山一角。

科學研究上,非晶合金的非晶形成機理、性能調(diào)控以及塑性變形機理仍然是未來的研究重點,計算機模擬在其中起到的輔助作用愈發(fā)重要。繼續(xù)研發(fā)具有更優(yōu)異軟磁性能的非晶合金及制備高耐蝕耐磨涂層仍將是非晶領(lǐng)域未來的關(guān)注點,同時拓寬非晶合金的應用范圍,尋求在生物醫(yī)用、污水降解、催化等更多領(lǐng)域的應用將是非晶學科獲得更長遠發(fā)展的基礎(chǔ)。

本文作者:材料委天津院

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