圖片來源：非晶中國(guó)大數(shù)據(jù)庫

摘要：

金屬材料的發(fā)展與人類文明和進(jìn)步息息相關(guān)。非晶合金材料是一類原子結(jié)構(gòu)長(zhǎng)程無序，具有獨(dú)特優(yōu)異性能的新型金屬材料。近年來，非晶合金材料的研發(fā)、相關(guān)科學(xué)問題的研究、在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用得到快速發(fā)展，并對(duì)金屬材料的設(shè)計(jì)和研發(fā)、結(jié)構(gòu)材料、綠色節(jié)能材料、磁性材料、催化材料、信息材料等領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。為此，文章在回顧非晶合金材料研究和研發(fā)歷史過程的基礎(chǔ)上，分析了當(dāng)前其學(xué)科的前沿科學(xué)問題、發(fā)展方向，以及我國(guó)在該領(lǐng)域發(fā)展的問題、機(jī)遇和挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的啟示和建議，以期為加快新金屬材料的發(fā)展，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供管窺之見。

金屬材料與人類萬年文明發(fā)展史息息相關(guān)，金屬材料的開發(fā)和使用，往往成為劃分人類不同文明時(shí)代的里程碑，如青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代、鋼鐵時(shí)代等。每次金屬材料的發(fā)展都會(huì)極大地推動(dòng)人類社會(huì)文明和生產(chǎn)力的巨大進(jìn)步。非晶合金是近幾十年來通過現(xiàn) 代冶金新技術(shù)——快速凝固技術(shù)和熵調(diào)控理念——抑制合金熔體原子的結(jié)晶，保持和調(diào)控熔體無序結(jié)構(gòu)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(diào)制材料結(jié)構(gòu)“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(zhì)特性的新金屬材料；其顛覆了傳統(tǒng)金屬材料從成分和缺陷出發(fā)設(shè)計(jì)和制備的思路（圖1），突破金屬材料原子結(jié)構(gòu)有序的固有概念，把金屬材料的強(qiáng)度、韌性、彈性、抗腐蝕、抗輻照等性能指標(biāo)提升到前所未有的高度，改變了古老金屬結(jié)構(gòu)材料的面貌。非晶、高熵等無序合金在基礎(chǔ)研究和技術(shù)應(yīng)用中已表現(xiàn)出重要意義和戰(zhàn)略價(jià)值，在能源、信息、環(huán)保節(jié)能、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生和國(guó)防等高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著愈加重要作用。無序合金領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究將繼續(xù)推動(dòng)材料科技革命和對(duì)材料行為的更深入理解，并能產(chǎn)生新的材料設(shè)備和系統(tǒng)。

圖1 非晶合金等無序材料探索途徑和傳統(tǒng)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(shì)及進(jìn)展

1.1 非晶合金研發(fā)態(tài)勢(shì)

非晶合金材料的研發(fā)出現(xiàn)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(guó)加州理工大學(xué)的杜維茲教授發(fā)明了快速凝固冶金技術(shù)，首次制備出非晶合金。第2次高峰期在20世紀(jì)80年代前后，在日本和美國(guó)等國(guó)家主導(dǎo)下，開發(fā)了非晶合金條帶工業(yè)化技術(shù)、非晶合金粉末和薄膜制備技術(shù)，以及非晶合金軟磁應(yīng)用等。第3次高峰期在20世紀(jì)90年代，主要由日本和美國(guó)主導(dǎo)；這個(gè)時(shí)期通過成分調(diào)控，極大提高金屬熔體的粘滯系數(shù)，將非晶合金的臨界尺寸從微米級(jí)提高到厘米級(jí)，非晶合金材料從此進(jìn)入大塊合金時(shí)代，極大地拓展了其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。第4次高峰期在2000年以后，由美國(guó)和中國(guó)主導(dǎo)，中國(guó)近年非晶合金專利占比約76%；主要技術(shù)和進(jìn)展涉及鐵基、銅基、鋯基等大塊非晶合金制備和應(yīng)用、帶材在配電變壓器、軟磁芯方面的大規(guī)模應(yīng)用，高熵合金材料、高熵非晶材料的發(fā)明，以及熵調(diào)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(diǎn)是成分無序、結(jié)構(gòu)長(zhǎng)程無序；高熵合金的主要特征是結(jié)構(gòu)有序但成分無序。未來的無序合金發(fā)展趨勢(shì)是開發(fā)新一代高性能、突破現(xiàn)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(jī)、航天和汽車、信息技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用。2021年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予意大利科學(xué)家喬治·帕里西（G. Parisi），以表彰他對(duì)理解復(fù)雜無序物理系統(tǒng)的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，也說明無序體系本身研究的重要科學(xué)意義。非晶和高熵等無序合金作為相對(duì)簡(jiǎn)單的無序體系，為研究物理和材料科學(xué)的基本問題提供了模型體系，將極大地推動(dòng)復(fù)雜無序體系研究的發(fā)展。

1.2 我國(guó)無序合金研發(fā)已躍升國(guó)際一流水平

我國(guó)的非晶合金研發(fā)起步于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)美國(guó)、日本、蘇聯(lián)，以及德國(guó)、英國(guó)等歐洲國(guó)家是這個(gè)領(lǐng)域最活躍的國(guó)家。目前，日本和歐洲杰出科學(xué)家大多都已經(jīng)退休，高水平后繼者遠(yuǎn)不如以前多，技術(shù)和水平已逐漸落后。美國(guó)非晶合金材料領(lǐng)域研發(fā)經(jīng)費(fèi)較少，缺乏優(yōu)秀的年輕科學(xué)家和技術(shù)隊(duì)伍；目前，美國(guó)主要側(cè)重非晶合金基礎(chǔ)物理、模擬和機(jī)理研究，而應(yīng)用探索主要集中在航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域。目前，我國(guó)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(guó)相當(dāng)，成為世界第一梯隊(duì)。例如，迄今已在36個(gè)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(guó)發(fā)現(xiàn)28個(gè)。

特別是近10年來，無序合金最重要的進(jìn)展是研發(fā)出高熵合金。高熵合金是根植于熵調(diào)控設(shè)計(jì)思想開發(fā)出的化學(xué)成分復(fù)雜、沒有主元素、結(jié)構(gòu)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(xiàn)出諸多奇特超凡的性能，其研究及應(yīng)用已成為金屬材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。很多國(guó)外開發(fā)的高熵合金有明顯的軍事裝備需求的應(yīng)用導(dǎo)向。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的科研人員，在非晶合金基礎(chǔ)上首先研發(fā)出高熵合金，引領(lǐng)了無序合金領(lǐng)域的發(fā)展。我國(guó)無序合金研發(fā)能夠躍升國(guó)際一流是與我國(guó)科技投入的不斷增加、基礎(chǔ)研究的長(zhǎng)期積累、制造業(yè)大國(guó)對(duì)新金屬材料的產(chǎn)業(yè)需求，以及后備年輕人才輩出（國(guó)內(nèi)培養(yǎng)和海外歸國(guó)）密切相關(guān)。非晶合金領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的長(zhǎng)期積累為這類新材料的工業(yè)應(yīng)用提供了支撐和動(dòng)力。同時(shí)，相關(guān)的基礎(chǔ)研究也從工業(yè)應(yīng)用中汲取問題來源和進(jìn)步源泉。

1.3 基礎(chǔ)科學(xué)問題對(duì)非晶合金材料研發(fā)的制約

基礎(chǔ)科學(xué)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，現(xiàn)有固體物理和材料科學(xué)理論、模型和研究范式都無法有效解釋和描述其結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系、新現(xiàn)象，急需科學(xué)新理論、新方法和新范式。非晶合金材料領(lǐng)域當(dāng)前面臨四大類基礎(chǔ)科學(xué)問題：①玻璃轉(zhuǎn)變機(jī)制，即合金液體如何凝聚成結(jié)構(gòu)長(zhǎng)程無序、能量亞穩(wěn)定的非晶態(tài)；②形變機(jī)制，即結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)單元的標(biāo)定；③非晶結(jié)構(gòu)還沒有統(tǒng)一模型能有效描述；④沒有建立結(jié)構(gòu)與性能、形成、形變之間的關(guān)系，這阻礙了非晶材料的高效研發(fā)、性能設(shè)計(jì)和調(diào)控?；A(chǔ)研究方面的突破性進(jìn)展才能極大促進(jìn)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(chǎn)業(yè)前景和挑戰(zhàn)

2.1 非晶合金的主要應(yīng)用場(chǎng)景

作為結(jié)構(gòu)和功能一體化的新型金屬材料，非晶合金產(chǎn)業(yè)化前景非常廣闊。美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)投入大量資金拓展其應(yīng)用場(chǎng)景，并推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國(guó)液態(tài)金屬科技、玻璃金屬科技，日本日立金屬，德國(guó)VAC，以及我國(guó)宜安、臺(tái)一科技等公司在非晶合金領(lǐng)域的研發(fā)水平、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力及產(chǎn)業(yè)規(guī)模均處全球領(lǐng)先水平。目前，非晶合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域有4個(gè)。

（1）高性能結(jié)構(gòu)材料。由于非晶合金具有高強(qiáng)度（鈷基超過5GPa，輕質(zhì)鈦基超過2GPa）、高韌性（鈀基超過200MPa/m1/2）、高彈性變形（2%）、自銳特性、抗輻照、抗腐蝕等特性，已經(jīng)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(huì)面臨高溫差、強(qiáng)輻照、強(qiáng)腐蝕、高應(yīng)變等極端環(huán)境，對(duì)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(fù)雜環(huán)境中表現(xiàn)出高穩(wěn)定性；其原子層級(jí)表面平整度，兼具低熱膨脹系數(shù)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(shí)現(xiàn)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(jī)構(gòu)苛刻的性能要求，是航天器彈性展開機(jī)構(gòu)的關(guān)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(fù)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(qiáng)度、高磁導(dǎo)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(xiàng)軟磁性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)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(jīng)廣泛應(yīng)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(shí)別器等，是電力、電子和電子信息領(lǐng)域不可或缺的重要基礎(chǔ)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(jīng)估算，我國(guó)約30%—60%電網(wǎng)損耗來自變壓器，即使只替代現(xiàn)有變壓器的15%，其節(jié)電可達(dá)90億度/年、CO2減排800萬噸/年。非晶合金軟磁制造技術(shù)也已經(jīng)相當(dāng)成熟，我國(guó)已成為繼日本之后，世界上第二個(gè)擁有非晶合金變壓器原材料量產(chǎn)能力的國(guó)家，已形成千億級(jí)非晶鐵芯高端制造產(chǎn)業(yè)集群，市場(chǎng)接近1000億元人民幣。非晶合金軟磁材料還將很快大量應(yīng)用于快速發(fā)展的電子信息領(lǐng)域。這些領(lǐng)域的各種電子設(shè)備大量應(yīng)用于輕、薄、小和高度集成化的開關(guān)電源，所采用的手段是高頻電子技術(shù)，這要求其中變壓器和電感器的軟磁鐵芯適用于高頻場(chǎng)合。具有高飽和磁感、高磁導(dǎo)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的微型鐵芯，然后制成變壓器或電感器，應(yīng)用于各類電子或通信設(shè)備中。但是，非晶帶材制備過程產(chǎn)生缺陷導(dǎo)致其抗突發(fā)短路性能較差，以及非晶磁致伸縮導(dǎo)致的噪音大、脆性仍是世界級(jí)難題。電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活極為重要的動(dòng)力設(shè)備，其耗電量在各類電器設(shè)備中居首，全球電機(jī)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(jī)鐵芯可顯著降低電機(jī)損耗，將效率提高3%—20%。非晶合金電機(jī)功率密度高、重量輕、體積小、產(chǎn)生熱量少，從而解決了傳統(tǒng)高頻器件中因需配備散熱裝置而導(dǎo)致體積過大的問題，有望在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、高速主軸、航空發(fā)電機(jī)和軍事領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。目前，國(guó)際尚未形成相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院物理研究所等國(guó)內(nèi)科研單位在國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目的資助下，正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(guān)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。