當(dāng)人們還在感嘆美國(guó)隊(duì)長(zhǎng)擁有“宇宙最硬”的星型盾牌，金剛狼的骨骼被注入艾德曼合金變得堅(jiān)硬無(wú)比。你可曾想到，這些漫畫(huà)中虛構(gòu)的高硬度金屬材料，終有一日會(huì)走進(jìn)我們的現(xiàn)實(shí)生活。

    近日，美國(guó)工程師成功研發(fā)了一種具有突破性能力的新型鋼材——非晶合金鋼，大大提高了未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上武器裝備的攻防水平。與傳統(tǒng)剛性材料相比，這種新型合金鋼具有更多優(yōu)勢(shì)，它的制造成本經(jīng)濟(jì)、異常堅(jiān)硬且不易斷裂，擁有合金鋼彈性極限的最好紀(jì)錄，可以承受高達(dá)12.5吉帕的壓力，而不產(chǎn)生永久變形。比較而言，不銹鋼的彈性極限是0.2吉帕，軍用裝甲使用的鎢鋼是4.5吉帕，鉆石的彈性極限可達(dá)60吉帕，但由于造價(jià)昂貴并不實(shí)用，非晶合金鋼已逐漸成為科學(xué)家關(guān)注的新材料。這一發(fā)現(xiàn)將在航空航天領(lǐng)域、軍事兵器、精密機(jī)械及汽車(chē)工業(yè)、醫(yī)療與體育器材等多個(gè)方面發(fā)揮巨大的作用。特別是在軍事兵器領(lǐng)域，非晶合金鋼是穿甲彈芯的首選材料之一。同時(shí)，利用大塊非晶合金鋼的高硬度特性還可以成為穿甲防護(hù)材料，如裝甲、防彈背心、衛(wèi)星的防隕石保護(hù)罩等。美國(guó)研究人員表示，未來(lái)研究將重點(diǎn)致力于增加合金鋼的重量，進(jìn)一步提高其抗壓能力。

    另訊，據(jù)“非晶中國(guó)大數(shù)據(jù)庫(kù)”得知，在科研人員和企業(yè)家共同努力，我國(guó)非晶合金鋼（塊體非晶合金）民用產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得令人矚目成績(jī)，特別在消費(fèi)電子等智能終端使用量全球市場(chǎng)最大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)先后擁有生產(chǎn)非晶合金鋼企業(yè)在11家，1-5月份非晶合金鋼類(lèi)消費(fèi)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值同比增長(zhǎng)335%。我國(guó)目前已經(jīng)形成了珠三角、長(zhǎng)三角非晶合金鋼產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，配套上下游企業(yè)在90家左右。中國(guó)非晶合金鋼民用產(chǎn)業(yè)化技術(shù)進(jìn)步和巨大市場(chǎng)潛能也吸引國(guó)外知名企業(yè)關(guān)注并開(kāi)始在華投資。

    延伸閱讀

    2015年中國(guó)非晶合金基礎(chǔ)研究綜述

    2015年是中國(guó)非晶合金基礎(chǔ)研究領(lǐng)域蓬勃發(fā)展和豐收的一年。中國(guó)科學(xué)院物理研究所的汪衛(wèi)華研究員入選中國(guó)科學(xué)院院士，成為非晶合金領(lǐng)域的第一位中國(guó)科學(xué)院院士。以北京科技大學(xué)、南京理工大學(xué)、華中科技大學(xué)和燕山大學(xué)為代表的非晶研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)非晶復(fù)合材料、納米非晶合金、3D打印制備非晶合金、新型鋯基非晶合金等方面的研究計(jì)劃分別獲得了基金委的重點(diǎn)支持。2015年也是非晶領(lǐng)域基礎(chǔ)研究科研模式變革的一年，以基金委非晶軟磁大集團(tuán)項(xiàng)目成立為標(biāo)志的大協(xié)作模式或許成為非晶領(lǐng)域?qū)?lái)快速發(fā)展的新科研模式。

    針對(duì)非晶合金力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)特征、功能特性、超穩(wěn)特性等重要研究方向，國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)做出了一系列突破性研究成果，在Nature、Nature Communications、Acta Materialia、Scientific Reports等著名期刊發(fā)表多篇論文，成果豐碩。

    非晶合金“年輕化”

    缺乏塑性變形能力是限制塊體非晶合金作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸。近年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)控非晶合金中的應(yīng)力分布狀態(tài)，可以有效抑制塑性變形過(guò)程中剪切帶的形核和擴(kuò)展，進(jìn)而改善塑性變形能力。探索調(diào)控非晶合金應(yīng)力分布的有效手段可以極大地推動(dòng)非晶合金應(yīng)用。中科院物理研究所魯振博士生、白海洋研究員、汪衛(wèi)華院士等與英國(guó)劍橋大學(xué)和日本東北大學(xué)合作研究發(fā)現(xiàn)將非晶合金在液氮中反復(fù)浸泡，經(jīng)過(guò)多次冷熱循環(huán)后，塑性變形能力得到明顯提升。由于非晶結(jié)構(gòu)不均勻性，冷熱循環(huán)過(guò)程中熱脹冷縮的不均勻性可以提高非晶合金內(nèi)應(yīng)力不均勻性，顯著提高非晶合金的能量狀態(tài)，使其年輕化。冷熱循環(huán)提高塑性的方法，具有操作簡(jiǎn)單，對(duì)樣品形狀無(wú)破壞等諸多優(yōu)勢(shì)，有望得到廣泛使用【S.V. Ketov, Y.H. Sun, S. Nachum, Z. Lu, A. Checchi, A.R. Beraldin, H.Y. Bai, W.H. Wang, D.V. Louzguine-Luzgin, M.A. Carpenter and A.L. Greer, Rejuvenation of metallic glasses by non-affine thermal strain, Nature 524, 200 （2015）】。

    非晶合金形成液體中的液-液相變現(xiàn)象

    液-液相變與玻璃轉(zhuǎn)變、原子尺度的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特征等玻璃形成合金的液體特性密切相關(guān)，因此受到廣泛關(guān)注。華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)人民大學(xué)與美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)的非晶研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)家自然科學(xué)基金委非晶集團(tuán)項(xiàng)目支持下，利用國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心的高溫核磁共振平臺(tái)，并結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬-方法揭示出La50Al35Ni15玻璃形成合金液體存在“液-液一級(jí)相變”。研究結(jié)果還表明，局域結(jié)構(gòu)序參量對(duì)于決定液體結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)具有重要作用，這極有可能對(duì)于描述玻璃轉(zhuǎn)變具有重要意義。這一研究結(jié)果不僅首次從實(shí)驗(yàn)上印證了在可形成非晶態(tài)金屬的玻璃形成合金在熱力學(xué)平衡態(tài)的熔體中的確存在有“液-液相變”，而且對(duì)于進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)玻璃轉(zhuǎn)變和金屬的玻璃形成能力等相關(guān)的重要科學(xué)問(wèn)題提供了新的思路。此項(xiàng)工作近日由許巍等發(fā)表在W. Xu, M.T. Sandor, Y. Yu, H.B. Ke, H.P. Zhang, M.Z. Li, W.H. Wang, L.L. and Y. Wu, Evidence of liquid-liquid transition in glass forming La50Al35Ni15 melt above liquidus temperature, Nature Communications 6, 7696 （2015）】。

    超穩(wěn)塊體非晶合金

    超穩(wěn)非晶合金具有低能量狀態(tài)和高動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，表現(xiàn)出很多優(yōu)異的性能。但目前通過(guò)氣相沉積法制備的超穩(wěn)非晶合金僅限于薄膜形態(tài)，限制了其應(yīng)用。開(kāi)發(fā)制備條帶或塊體超穩(wěn)非晶合金的方法對(duì)促進(jìn)其應(yīng)用具有重要意義。中科院寧波材料所王軍強(qiáng)研究員與美國(guó)威斯康星麥迪遜大學(xué)合作，通過(guò)模仿氣相沉積過(guò)程中襯底溫度和沉積速度的影響，利用閃速DSC系統(tǒng)研究了液體冷卻法制備的金基非晶合金的能量狀態(tài)在不同退火溫度和退火時(shí)間下的演化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)（1）制備低能量狀態(tài)非晶合金存在最優(yōu)化的退火條件Ta = 274+ 132/log（ta）：給定退火時(shí)間，有一個(gè)最優(yōu)化的退火溫度，溫度太高或太低效果都不好。（2）退火過(guò)程中非晶合金經(jīng)歷了三個(gè)狀態(tài)：非平衡狀態(tài)（玻璃態(tài)）、亞穩(wěn)平衡態(tài)（過(guò)冷液體態(tài)）、晶化過(guò)程。（3）發(fā)現(xiàn)非晶合金的熱力學(xué)穩(wěn)定性（與能量狀態(tài)成反比）與動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性（與玻璃-液體轉(zhuǎn)變溫度成正比）之間的非線(xiàn)性關(guān)系：beta弛豫使熱力學(xué)穩(wěn)定性升高的同時(shí)，動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性降低；而alpha弛豫使熱力學(xué)穩(wěn)定性升高的同時(shí)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性也升高。這些研究結(jié)果有助于人們深刻理解非晶態(tài)材料弛豫行為，并為改善軟磁非晶合金工業(yè)化生產(chǎn)退火工藝提供了理論指導(dǎo)【J.Q. Wang, Y. Shen, J.H. Perepezko and M.D. Ediger, Increasing the kinetic stability of bulk metallic glasses, Acta Materialia 104, 25 （2016）】。

    非晶合金結(jié)構(gòu)

    研究非晶合金原子結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律是理解玻璃形成能力、調(diào)控非晶合金性能的重要手段。人民大學(xué)李茂枝教授、中科院物理所汪衛(wèi)華院士和北京大學(xué)劉凱欣教授課題組合作，利用計(jì)算機(jī)模擬方法研究發(fā)現(xiàn)非晶合金具有很多隱含的晶體短程序和中程序結(jié)構(gòu)。隨著組元元素的增加，隱含的晶體短中程序結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越豐富。不同晶體結(jié)構(gòu)的相互競(jìng)爭(zhēng)糾纏使得有序堆積幾何上受挫，從而有利于玻璃形成能力【Z.W. Wu, M.Z. Li, W.H. Wang and K.X. Liu, Nature Communications 6, 6035 （2015）。】。同濟(jì)大學(xué)沈軍教授研究組的羅強(qiáng)博士利用同步輻射在高壓下原位觀測(cè)的方法，研究了鈰基非晶合金壓力下的演化行為。發(fā)現(xiàn)從低密度非晶態(tài)到中等密度非晶態(tài)再到高密度非晶態(tài)的多形態(tài)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。當(dāng)溫度升到玻璃轉(zhuǎn)變溫度附近時(shí)，低密度非晶態(tài)向中等密度非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)出相對(duì)不連續(xù)轉(zhuǎn)變的行為，具有一級(jí)相變的特征。這些研究結(jié)果表明金屬玻璃在壓力下可以展現(xiàn)出豐富多彩的結(jié)構(gòu)和性能，壓力作為重要參數(shù)引入金屬玻璃的制備和后續(xù)處理工藝中必將進(jìn)一步拓展其應(yīng)用前景。【Q. Luo, G. Garbarino, B. Sun, D. Fan, Y. Zhang, Z. Wang, Y. Sun, J. Jiao, X. Li, P. Li, N. Mattern, J. Eckert and J. Shen, Hierarchical densification and negative thermal expansion in Ce-based metallic glass under high pressure, Nature Communications 6, 5703 （2015）】

    耐磨耐蝕非晶合金涂層

    非晶涂層因其具有高硬度、高耐蝕和高耐磨性性，在表面工程領(lǐng)域呈現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。華中科技大學(xué)柳林教授課題組在非晶涂層制備、結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控等方面進(jìn)行了深入研究。特別是開(kāi)發(fā)了多種具有高沖擊韌性的非晶復(fù)合涂層體系，如非晶/晶態(tài)疊層結(jié)構(gòu)復(fù)合涂層、陶瓷增韌型復(fù)合涂層、Ni（W）P粉末包覆復(fù)合涂層，這些復(fù)合涂層的抗沖擊性能較單相非晶涂層提高10倍以上，同時(shí)兼具優(yōu)異的減摩、耐磨與耐蝕性能。【C. Zhang, H. Zhou and L. Liu, Laminar Fe-based amorphous composite coatings with enhanced bonding strength and impact resistance, Acta Materia 72, 239 （2014）。等】。同濟(jì)大學(xué)沈軍教授課題組利用HVAF方法制備出結(jié)構(gòu)致密、非晶相含量高、幾乎不含氧化物夾雜、孔隙率小且界面結(jié)合良好的鐵基非晶合金涂層。抗均勻腐蝕和點(diǎn)蝕能力顯著提高，點(diǎn)蝕電位高達(dá)1.1V，鈍化電流密度比HVOF非晶涂層降低近2個(gè)數(shù)量級(jí)。耐沖蝕阻力提高2-3倍，達(dá)到不銹鋼12倍。優(yōu)異的抗沖蝕能力可以歸因于非晶涂層組織結(jié)構(gòu)變得更加致密、鈍化穩(wěn)定性高及硬度高。【Y. Wang, Z.Z. Xing, Q. Luo, A. Rahman, J. Jiao, S.J. Qu, Y.G. Zheng and J. Shen, Corrosion and erosion-corrosion behavior of activated combustion high-velocity air fuel sprayed Fe-based amorphous coatings in chloride-containing solutions, Corrosion Science 98, 339 （2015）】。中科院金屬所王建強(qiáng)研究員課題組提出了微組元化提升非晶耐蝕特性的合金設(shè)計(jì)新思路，澄清了非晶本征結(jié)構(gòu)對(duì)鈍化膜形成、穩(wěn)定及點(diǎn)蝕萌生作用機(jī)理，利用3D-XRT新技術(shù)闡明了非晶涂層中的孔隙缺陷形成與腐蝕關(guān)聯(lián)性，并提出了非晶涂層使役中的臨界厚度。研發(fā)的多種Fe基、Al基非晶涂層在海洋、核輻照等苛刻環(huán)境中呈現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕、耐磨與抗沖刷性能，現(xiàn)已進(jìn)入工程應(yīng)用階段。【S.D. Zhang, W.L. Zhang, S.G. Wang, X.J. Gu and J.Q. Wang, Characterisation of three-dimensional porosity in an Fe-based amorphous coating and its correlation with corrosion behaviour。Corrosion Science 93 （2015） 211–221等】

    非晶合金催化功能特性

    由于特殊的合金成分和無(wú)序原子結(jié)構(gòu)，非晶合金在催化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。非晶合金降解印染污水的功能特性近年來(lái)吸引力廣泛的興趣，中科院金屬所張海峰研究員課題組繼發(fā)現(xiàn)鐵基非晶合金可以降解印染污水后，再次發(fā)現(xiàn)在降解印染污水中具有高活性的鈷基非晶合金。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，球磨鈷基非晶合金粉可以在兩分鐘時(shí)間內(nèi)完全降解水溶液中的橙色染料，反應(yīng)效率是晶態(tài)粉的10倍以上，達(dá)到商業(yè)晶態(tài)鐵粉的1000多倍【X.D. Qin, Z.W. Zhu, G. Liu, H.M. Fu, H.W. Zhang, A.M. Wang, H. Li and H.F. Zhang, Ultrafast degradation of azo dyes catalyzed by cobalt-based metallic glasses, Scientific Reports 5, 18226 （2015）】。針對(duì)非晶降解偶氮染料反應(yīng)機(jī)制，清華大學(xué)姚可夫教授課題組開(kāi)展了深入系統(tǒng)的研究。他們發(fā)現(xiàn)鐵基非晶合金的無(wú)序原子結(jié)構(gòu)和非金屬元素使得非晶表面的反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松，容易剝落，從而不會(huì)像晶體材料那樣阻礙進(jìn)一步反應(yīng)；通過(guò)研究反應(yīng)中間產(chǎn)物和反應(yīng)激活能，他們發(fā)現(xiàn)非晶合金和晶態(tài)合金降解偶氮染料的反應(yīng)路徑基本一致，但非晶合金反應(yīng)過(guò)程主要由擴(kuò)散控制，而晶體反應(yīng)主要由合金表面反應(yīng)速率決定。【Y. Tang, Y. Shao, N. Chen, X. Liu, S.Q. Chen and K.F. Yao, Insight into the high reactivity of commercial Fe-Si-B amorphous zero-valent iron in degrading azo dye solutions, RSC Advance 5, 34032 （2015）。 Ibid 5, 6215 （2015）】。

    軟磁非晶合金

    針對(duì)非晶合金飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料所王新敏研究員課題組通過(guò)微量添加元素和合金成分優(yōu)化，成功研制出磁性能和工藝性?xún)?yōu)異的新型FeSiBPM系列非晶合金。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到1.67 T，高于目前廣泛應(yīng)用的1k101非晶合金（1.56 T）和日立金屬公司推出的新型高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 HB1（1.64T）非晶合金。該合金同時(shí)具有較高的非晶形成能力，臨界厚度達(dá)到（80～90 μm），滿(mǎn)足制備非晶合金寬帶的工藝性要求。該合金的最佳熱處理溫度范圍寬，熱處理后樣品的性能穩(wěn)定，軟磁性能優(yōu)異（矯頑力小于3 A/m，有效磁導(dǎo)率超過(guò)8000），可在較低溫度下熱處理獲得優(yōu)異的軟磁性能和韌性的樣品，具有優(yōu)異的綜合性能和生產(chǎn)工藝性。相關(guān)研究成果已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利（201410197139.X）。該課題組通過(guò)控制初晶相的密度、分布和尺寸不均勻性，開(kāi)發(fā)出優(yōu)化FeSiBCu（P,C） 納米晶合金系列合金磁性能和工藝性的方法。發(fā)現(xiàn)Ta和Nb微合金化可以使熱處理工藝窗口擴(kuò)大到100攝氏度，時(shí)間窗口增加到 90min。對(duì)推進(jìn)高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度納米晶合金的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要的意義。相關(guān)的結(jié)果已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利CN201410415305.9。

    非晶合金作為非平衡態(tài)材料，其特殊合金成分和無(wú)序原子結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出很多優(yōu)異的性能，但是同時(shí)也伴隨著很多內(nèi)稟的缺陷，比如塑性變形能力差、玻璃形成能力有限、亞穩(wěn)，等等。深入研究這些基本物理問(wèn)題的特征和演化規(guī)律，對(duì)推動(dòng)非晶合金的應(yīng)用具有重要意義。美國(guó)科學(xué)院院士Johnson教授明確指出非晶合金基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展可以促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的革新（Good science enables good technology），他也強(qiáng)調(diào)技術(shù)的改進(jìn)也可以推動(dòng)基礎(chǔ)科研的發(fā)展（Good technology also drives good science）。所以，基礎(chǔ)科研與生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)該相輔相成，共同發(fā)展。

    （王軍強(qiáng) 等）

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