非晶合金材料练就战场“硬”功夫

美国工程师成功研发了一种具有突破性能力的新型钢材——非晶合金材料，大大提高了未来战场上武器装备的攻防水平。与传统刚性材料相比，这种新型合金材料具有更多优势，它的制造成本经济、异常坚硬且不易断裂，拥有合金钢弹性极限的最好纪录，可以承受高达12.5吉帕的压力，而不产生永久变形。比较而言，不锈钢的弹性极限是0.2吉帕，军用装甲使用的钨钢是4.5吉帕，钻石的弹性极限可达60吉帕，但由于造价昂贵并不实用，非晶合金材料已逐渐成为科学家关注的新材料。这一发现将在航空航天领域、军事兵器、精密机械及汽车工业、医疗与体育器材等多个方面发挥巨大的作用。特别是在军事兵器领域，非晶合金钢是穿甲弹芯的首选材料之一。同时，利用大块非晶合金钢的高硬度特性还可以成为穿甲防护材料，如装甲、防弹背心、卫星的防陨石保护罩等。美国研究人员表示，未来研究将重点致力于增加合金钢的重量，进一步提高其抗压能力。
另讯，据“非晶中国大数据库”得知，在科研人员和企业家共同努力，我国非晶合金钢（块体非晶合金）民用产业发展取得令人瞩目成绩，特别在消费电子等智能终端使用量全球市场最大。据统计，我国先后拥有生产非晶合金材料企业在11家，1-5月份非晶合金钢类消费产业产值同比增长335%。我国目前已经形成了珠三角、长三角非晶合金钢产业集聚区，配套上下游企业在90家左右。中国非晶合金钢民用产业化技术进步和巨大市场潜能也吸引国外知名企业关注并开始在华投资。
非晶合金“年轻化”
缺乏塑性变形能力是限制块体非晶合金作为结构材料应用的主要技术瓶颈。近年来人们发现通过调控非晶合金中的应力分布状态，可以有效抑制塑性变形过程中剪切带的形核和扩展，进而改善塑性变形能力。探索调控非晶合金应力分布的有效手段可以极大地推动非晶合金应用。中科院物理研究所鲁振博士生、白海洋研究员、汪卫华院士等与英国剑桥大学和日本东北大学合作研究发现将非晶合金在液氮中反复浸泡，经过多次冷热循环后，塑性变形能力得到明显提升。由于非晶结构不均匀性，冷热循环过程中热胀冷缩的不均匀性可以提高非晶合金内应力不均匀性，显著提高非晶合金的能量状态，使其年轻化。
非晶合金形成液体中的液-液相变现象
液-液相变与玻璃转变、原子尺度的结构和动力学特征等玻璃形成合金的液体特性密切相关，因此受到广泛关注。华中科技大学、中国科学院物理研究所、中国人民大学与美国北卡罗来纳大学的非晶研究团队在国家自然科学基金委非晶集团项目支持下，利用国家脉冲强磁场科学中心的高温核磁共振平台，并结合分子动力学模拟-方法揭示出La50Al35Ni15玻璃形成合金液体存在“液-液一级相变”。研究结果还表明，局域结构序参量对于决定液体结构和动力学性质具有重要作用，这极有可能对于描述玻璃转变具有重要意义。这一研究结果不仅首次从实验上印证了在可形成非晶态金属的玻璃形成合金在热力学平衡态的熔体中的确存在有“液-液相变”，而且对于进一步深入认识玻璃转变和金属的玻璃形成能力等相关的重要科学问题提供了新的思路。
超稳块体非晶合金
超稳非晶合金具有低能量状态和高动力学稳定性，表现出很多优异的性能。但目前通过气相沉积法制备的超稳非晶合金仅限于薄膜形态，限制了其应用。开发制备条带或块体超稳非晶合金的方法对促进其应用具有重要意义。中科院宁波材料所王军强研究员与美国威斯康星麦迪逊大学合作，通过模仿气相沉积过程中衬底温度和沉积速度的影响，利用闪速DSC系统研究了液体冷却法制备的金基非晶合金的能量状态在不同退火温度和退火时间下的演化规律。
非晶合金结构
研究非晶合金原子结构及其演化规律是理解玻璃形成能力、调控非晶合金性能的重要手段。人民大学李茂枝教授、中科院物理所汪卫华院士和北京大学刘凯欣教授课题组合作，利用计算机模拟方法研究发现非晶合金具有很多隐含的晶体短程序和中程序结构。同济大学沈军教授研究组的罗强博士利用同步辐射在高压下原位观测的方法，研究了铈基非晶合金压力下的演化行为。发现从低密度非晶态到中等密度非晶态再到高密度非晶态的多形态转变现象。当温度升到玻璃转变温度附近时，低密度非晶态向中等密度非晶态的转变呈现出相对不连续转变的行为，具有一级相变的特征。
耐磨耐蚀非晶合金涂层
非晶涂层因其具有高硬度、高耐蚀和高耐磨性性，在表面工程领域呈现广阔的应用前景。华中科技大学柳林教授课题组在非晶涂层制备、结构与性能调控等方面进行了深入研究。特别是开发了多种具有高冲击韧性的非晶复合涂层体系，如非晶/晶态叠层结构复合涂层、陶瓷增韧型复合涂层、Ni（W）P粉末包覆复合涂层，这些复合涂层的抗冲击性能较单相非晶涂层提高10倍以上，同时兼具优异的减摩、耐磨与耐蚀性能。同济大学沈军教授课题组利用HVAF方法制备出结构致密、非晶相含量高、几乎不含氧化物夹杂、孔隙率小且界面结合良好的铁基非晶合金涂层。抗均匀腐蚀和点蚀能力显著提高，点蚀电位高达1.1V，钝化电流密度比HVOF非晶涂层降低近2个数量级。耐冲蚀阻力提高2-3倍，达到不锈钢12倍。优异的抗冲蚀能力可以归因于非晶涂层组织结构变得更加致密、钝化稳定性高及硬度高。中科院金属所王建强研究员课题组提出了微组元化提升非晶耐蚀特性的合金设计新思路，澄清了非晶本征结构对钝化膜形成、稳定及点蚀萌生作用机理，利用3D-XRT新技术阐明了非晶涂层中的孔隙缺陷形成与腐蚀关联性，并提出了非晶涂层使役中的临界厚度。研发的多种Fe基、Al基非晶涂层在海洋、核辐照等苛刻环境中呈现出优异的耐蚀、耐磨与抗冲刷性能，现已进入工程应用阶段。
非晶合金催化功能特性
由于特殊的合金成分和无序原子结构，非晶合金在催化领域具有广泛的应用潜力。非晶合金降解印染污水的功能特性近年来吸引力广泛的兴趣，中科院金属所张海峰研究员课题组继发现铁基非晶合金可以降解印染污水后，再次发现在降解印染污水中具有高活性的钴基非晶合金。他们的实验结果显示，球磨钴基非晶合金粉可以在两分钟时间内完全降解水溶液中的橙色染料，反应效率是晶态粉的10倍以上，达到商业晶态铁粉的1000多倍。针对非晶降解偶氮染料反应机制，清华大学姚可夫教授课题组开展了深入系统的研究。他们发现铁基非晶合金的无序原子结构和非金属元素使得非晶表面的反应产物结构疏松，容易剥落，从而不会像晶体材料那样阻碍进一步反应；通过研究反应中间产物和反应激活能，他们发现非晶合金和晶态合金降解偶氮染料的反应路径基本一致，但非晶合金反应过程主要由扩散控制，而晶体反应主要由合金表面反应速率决定。
软磁非晶合金
针对非晶合金饱和磁感应强度低的缺点，中国科学院宁波材料所王新敏研究员课题组通过微量添加元素和合金成分优化，成功研制出磁性能和工艺性优异的新型FeSiBPM系列非晶合金。饱和磁感应强度达到1.67 T，高于目前广泛应用的1k101非晶合金（1.56 T）和日立金属公司推出的新型高饱和磁感应强度 HB1（1.64T）非晶合金。该合金同时具有较高的非晶形成能力，临界厚度达到（80～90 μm），满足制备非晶合金宽带的工艺性要求。该合金的最佳热处理温度范围宽，热处理后样品的性能稳定，软磁性能优异（矫顽力小于3 A/m，有效磁导率超过8000），可在较低温度下热处理获得优异的软磁性能和韧性的样品，具有优异的综合性能和生产工艺性。

非晶合金作为非平衡态材料，其特殊合金成分和无序原子结构使其表现出很多优异的性能，但是同时也伴随着很多内禀的缺陷，比如塑性变形能力差、玻璃形成能力有限、亚稳，等等。深入研究这些基本物理问题的特征和演化规律，对推动非晶合金的应用具有重要意义。美国科学院院士Johnson教授明确指出非晶合金基础科学的发展可以促进生产技术的革新（Good science enables good technology），他也强调技术的改进也可以推动基础科研的发展（Good technology also drives good science）。所以，基础科研与生产技术应该相辅相成，共同发展。