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                      劃時代的金屬材料——非晶合金國內外產業及科研發展分析
                      上傳時間:2020-11-26
                      發布來源:江蘇混沌新材料科技有限公司

                      各個國家都相當重視非晶合金領域的研發工作。1994年至2018年公開專利數量統計,以每五年為一個時間節點,分別對日本、美、德國和中國的專利申請數量進行了統計。在過去15年間,申請數量呈穩步上升趨勢。日本、美與德國在此領域起步較早,中國自21世紀初期也開始發力,逐步趕超日本、美和德國。
                      世界上,美、日本、德國等國家紛紛投入大量資金支持非晶合金的研究,推動產業發展。其中以美 Liquidmetal Technologies、Glassimetal Technologies、日本日立金屬株式會社、德國 VAC 等為代表的企業研發水平、市場競爭力及產業規模,均處于優先水平。2018年10月16日,美 Liquidmetal Technologies成功使用非晶合金 LM105 制造起搏器外殼,使其具有優越的強度和彈性,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。
                      目前我國已實現產業化的非晶合金主要以帶材的形式呈現,以鐵基非晶合金在配電變壓器中的應用較為成熟。我國非晶帶材技術與國外基本無差異,帶材質量具有競爭力,在配電變壓器的應用上節能效果非常明顯。目前國內生產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股份有限公司等企業主要關注非晶和納米晶帶材的研發生產,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。
                      2018年至今國外有多個科研團隊在非晶合金制備、結構認知、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,美內華達大學S.Sarker 團隊開發了 Ni-Nb-Zr 非晶合金,此材料在200℃~400℃表現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非晶的復合結構;诿芏确汉碚摚―FT)模擬發現這些局域原子團簇結構多由二十面體組成。
                      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處理對不同成分的金屬玻璃力學性能的影響。研究發現低溫熱循環既可以誘導結構活化也可能導致金屬玻璃結構弛豫,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展前沿,在非晶合金領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華院士、柳延輝研究員團隊設計了一種由銥(Ir)、鎳(Ni)、鉭(Ta)三種金屬和硼組合形成的非晶合金,其玻璃轉變溫度高達1162K,且過冷液相區為136K,比大多數金屬玻璃都寬。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性篩選了一些有前景的合金,這種設計方法具有實用性,為發現其他具有高性能的玻璃態合金提供了新思路;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表的綜述文章呈現了過去20多年來有關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、結晶特性、力學性能、腐蝕行為、磁學性能和工業應用等幾個方面。此外,文章基于作者的理解指出了這一學科領域未來的發展方向;此外我國在鐵基非晶合金設計方面、非晶合金模擬研究方面、非晶合金變形機理方面都有一些進展。
                      產業上,鐵磁非晶合金由于具有優異的磁學性能,已逐步取代傳統的硅鋼片,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可以很好地適應空間溫度的變化,可用來制備成盤壓桿、衛星探測器的撐桿。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、結構、性能、工藝、成本等諸多難題,其初步產業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重要。繼續研發具有更優異軟磁性能的非晶合金及制備高耐蝕涂層仍將是非晶領域未來的關注點,同時拓寬非晶合金的應用范圍,尋求在生物、污水降解、催化等更多領域的應用將是非晶學科獲得更長遠發展的基礎。

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