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(dú)特的材料結(jié)構(gòu)使得該合金具有高比強(qiáng)、大彈性變形能力、強(qiáng)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(yīng)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(gè)國家都相當(dāng)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(jì),以每五年為一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn),分別對(duì)日本、美國、德國和中國的專利申請(qǐng)數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。在過去15年間,全球申請(qǐng)數(shù)量呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)。日本、美國與德國在此領(lǐng)域起步較早,中國自21世紀(jì)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(dòng)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(huì)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(qiáng)度和彈性,可承受巨大壓力,同時(shí)大幅降低了成本,可長時(shí)間植入人體且不會(huì)對(duì)身體造成傷害。 目前我國已實(shí)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(yīng)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(yīng)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(jìn)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(gè)科研團(tuán)隊(duì)在非晶合金制備、結(jié)構(gòu)認(rèn)知、機(jī)理研究等方面取得了新的進(jìn)展。為代替昂貴的Pd/Pd-Ag分離膜,美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)S.Sarker 團(tuán)隊(duì)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(shí)該非晶合金內(nèi)部確實(shí)存在相分離,在三元非晶基底上形成了納米級(jí)富Nb和富Zr非晶的復(fù)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(tuán)簇結(jié)構(gòu)多由二十面體組成。 此外,也有些研究團(tuán)隊(duì)專注于非晶合金服役性能、變形機(jī)理等方面的研究。2018年10月,日本東北大學(xué) Sergey V. Ketov 團(tuán)隊(duì)研究了低溫?zé)嵫h(huán)處理對(duì)不同成分的金屬玻璃力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)低溫?zé)嵫h(huán)既可以誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)活化也可能導(dǎo)致金屬玻璃結(jié)構(gòu)弛豫,從而導(dǎo)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(gè)方向都取得了突破性進(jìn)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(dá)1162K,且過冷液相區(qū)為136K,比大多數(shù)金屬玻璃都寬。同時(shí),這種合金在1000K下的強(qiáng)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(jì)方法具有實(shí)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(xué)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(jìn)展和取得的成果,包含制備、玻璃形成能力、結(jié)晶特性、力學(xué)性能、腐蝕行為、磁學(xué)性能和工業(yè)應(yīng)用等幾個(gè)方面。此外,文章基于作者的理解指出了這一學(xué)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(jì)方面、非晶合金模擬研究方面、非晶合金變形機(jī)理方面都有一定的進(jìn)展。 產(chǎn)業(yè)上,鐵磁非晶合金由于具有優(yōu)異的磁學(xué)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(yīng)用中,非晶合金因其低膨脹系數(shù)可以很好地適應(yīng)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(fù)合材料的應(yīng)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(yīng)用進(jìn)程的冰山一角。 科學(xué)研究上,非晶合金的非晶形成機(jī)理、性能調(diào)控以及塑性變形機(jī)理仍然是未來的研究重點(diǎn),計(jì)算機(jī)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(diǎn),同時(shí)拓寬非晶合金的應(yīng)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(yīng)用將是非晶學(xué)科獲得更長遠(yuǎn)發(fā)展的基礎(chǔ)。 完 ▏本文作者:材料委天津院 |
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