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划时代的金属材料——非晶合金国内外产业及科研发展分析
发布:Iron_MAN10   时间:2019/12/2 15:18:19   阅读:69 
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非晶合金(Amorphous Alloys)又称金属玻璃,是指在原子尺度上长程无序、短程有序排列的一类合金材料。其微观结构与传统晶态合金不同,内部并不存在晶粒和晶界。独特的材料结构使得该合金具有高比强、大弹性变形能力、强耐腐蚀性、低热膨胀系数、高耐磨性、优异软磁等性能,可广泛应用于电子信息、航空航天、生物医疗等领域,市场需求量大,产业化前景十分广阔。

各个国家都相当重视非晶合金领域的研发工作。1994年至2018年全球公开专利数量统计,以每五年为一个时间节点,分别对日本、美国、德国和中国的专利申请数量进行了统计。在过去15年间,全球申请数量呈稳步上升趋势。日本、美国与德国在此领域起步较早,中国自21世纪初期也开始发力,逐步赶超日本、美国和德国。

国际上,美国、日本、德国等国家纷纷投入大量资金支持非晶合金的研究,推动产业发展。其中以美国 Liquidmetal Technologies、Glassimetal Technologies、日本日立金属株式会社、德国 VAC 等为代表的企业研发水平、市场竞争力及产业规模,均处于全球领先水平。2018年10月16日,美国 Liquidmetal Technologies成功使用非晶合金 LM105 制造起搏器外壳,使其具有卓越的强度和弹性,可承受巨大压力,同时大幅降低了成本,可长时间植入人体且不会对身体造成伤害。

目前我国已实现产业化的非晶合金主要以带材的形式呈现,以铁基非晶合金在配电变压器中的应用最为成熟。我国非晶带材技术与国外基本无差异,带材质量极具竞争力,在配电变压器的应用上节能效果非常明显。目前国内生产非晶合金的公司主要有安泰科技股份有限公司、青岛云路新能源科技有限公司、东莞宜安科技股份有限公司等。其中安泰科技股份有限公司、青岛云路先进材料技术股份有限公司等企业主要关注非晶和纳米晶带材的研发生产,而东莞宜安科技股份有限公司是具备大块非晶金属成型能力的企业。

2018年至今国外有多个科研团队在非晶合金制备、结构认知、机理研究等方面取得了新的进展。为代替昂贵的Pd/Pd-Ag分离膜,美国内华达大学S.Sarker 团队开发了 Ni-Nb-Zr 非晶合金,此材料在200℃~400℃表现出了较高的氢渗透性。原子探针断层扫描证实该非晶合金内部确实存在相分离,在三元非晶基底上形成了纳米级富Nb和富Zr非晶的复合结构。基于密度泛函理论(DFT)模拟发现这些局域原子团簇结构多由二十面体组成。

此外,也有些研究团队专注于非晶合金服役性能、变形机理等方面的研究。2018年10月,日本东北大学 Sergey V. Ketov 团队研究了低温热循环处理对不同成分的金属玻璃力学性能的影响。研究发现低温热循环既可以诱导结构活化也可能导致金属玻璃结构弛豫,从而导致材料塑性增加或者降低。

近年来,我国科研工作者紧跟世界发展前沿,在非晶合金领域的多个方向都取得了突破性进展,科研成果颇丰。2019 年5月1日,中科院物理研究所汪卫华院士、柳延辉研究员团队设计了一种由铱(Ir)、镍(Ni)、钽(Ta)三种金属和硼组合形成的非晶合金,其玻璃转变温度高达1162K,且过冷液相区为136K,比大多数金属玻璃都宽。同时,这种合金在1000K下的强度为3.7GPa。作者用简化的高通量组合方式,利用玻璃形成能力和电阻率之间的相关性筛选了一些有前景的合金,这种设计方法具有实用性,为发现其他具有高性能的玻璃态合金提供了新思路;2019年1月19日,北京科技大学的吕昭平教授和李宏祥副研究员发表的综述文章呈现了过去20多年来有关铁基块体非晶合金的研究进展和取得的成果,包含制备、玻璃形成能力、结晶特性、力学性能、腐蚀行为、磁学性能和工业应用等几个方面。此外,文章基于作者的理解指出了这一学科领域未来的发展方向;此外我国在铁基非晶合金设计方面、非晶合金模拟研究方面、非晶合金变形机理方面都有一定的进展。

产业上,铁磁非晶合金由于具有优异的磁学性能,已逐步取代传统的硅钢片,被大量用作变压器的磁芯。在航天航空应用中,非晶合金因其低膨胀系数可以很好地适应空间温度的变化,可用来制备成盘压杆、卫星探测器的撑杆。但由于大块非晶合金及其复合材料的应用仍然面临着成分、结构、性能、工艺、成本等诸多难题,其初步产业化仍然只是非晶应用进程的冰山一角。

科学研究上,非晶合金的非晶形成机理、性能调控以及塑性变形机理仍然是未来的研究重点,计算机模拟在其中起到的辅助作用愈发重要。继续研发具有更优异软磁性能的非晶合金及制备高耐蚀耐磨涂层仍将是非晶领域未来的关注点,同时拓宽非晶合金的应用范围,寻求在生物医用、污水降解、催化等更多领域的应用将是非晶学科获得更长远发展的基础。


来源:前沿材料公众号
 
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