一、什么是非晶金屬

非晶金屬是指在原子尺度上結(jié)構(gòu)無序的一種金屬材料。

大部分金屬材料具有很高的有序結(jié)構(gòu)，原子呈現(xiàn)周期性排列（晶體結(jié)構(gòu)金屬），表現(xiàn)為平移對(duì)稱性，或者是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，鏡面對(duì)稱，角對(duì)稱（準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)金屬）等。而與此相反，非晶金屬不具有任何的長程有序結(jié)構(gòu)，僅具有短程有序和中程有序（中程有序正在研究中）。

一般來說，具有這種無序結(jié)構(gòu)的非晶金屬可以從其液體狀態(tài)直接冷卻得到，故又稱為“玻璃態(tài)”。所以，非晶金屬又稱為“金屬玻璃”（Metallic Glass）、“玻璃態(tài)金屬”（Glassy metal）、“液態(tài)金屬”（Liquid metal）或大塊金屬玻璃（Bulk Metallic Glass，BMG），BMG是一種具有較低冷卻速度極限的非晶金屬，該種金屬合金可以制備出尺度超過1毫米的金屬片或金屬圓柱。

制備非晶金屬的方法包括：物理氣相沉積、固相燒結(jié)法、離子輻射法、甩帶法（連續(xù)鑄造法其中一種）和機(jī)械法。

對(duì)于鐵基非晶金屬而言，由于其不具備長程有序結(jié)構(gòu)，其磁化及消磁均較一般磁性材料容易。因此，用鐵基非晶金屬制作磁芯的非晶合金變壓器，其鐵損（即空載損耗）要比常規(guī)采用電工鋼作為鐵芯的傳統(tǒng)變壓器低約70-80%，對(duì)電網(wǎng)的節(jié)能降耗有很好的作用。

非晶金屬的原子結(jié)構(gòu)示意圖

晶體金屬和非晶金屬的原子顯微結(jié)構(gòu)比較

非晶合金斷口

首件非晶金屬3D打印件

鐵基非晶金屬帶

非晶金屬制品

二、非晶金屬的發(fā)展歷史

1960年，W. Klement (Jr.), Willens 和 Duwez 首次制備并觀察到了世界上第一塊金屬玻璃材料（Au75Si25）。早期發(fā)現(xiàn)，具有玻璃形成能力的合金都是在急速冷卻下制備（玻璃化臨界冷卻速度106K/s以上），以阻礙結(jié)晶過程的發(fā)生。為了達(dá)到冷卻速率閾值，這類材料的形貌尺寸在某個(gè)維度上要足夠小，典型的如帶狀、箔狀、線狀等，其厚度要小于100微米。

1969年，發(fā)現(xiàn)含77.5% 鈀、6% 銅、16.5%硅合金的玻璃化臨界冷卻速度僅在 100 到 1000 K/s之間。

1976年，H. Liebermann 和 C. Graham 發(fā)明了一類新型非晶金屬制備方法，通過單輥甩帶機(jī)實(shí)現(xiàn)驟冷。實(shí)驗(yàn)中采用的合金由鐵、鎳、磷和硼構(gòu)成。這種材料被稱為Metglas，它于20世紀(jì)80年代初商業(yè)化，用于低損耗配電變壓器（非晶金屬變壓器）。Metglas-2605是由80％鐵和20％硼組成，居里溫度為373℃，室溫下飽和磁化強(qiáng)度為1.56特斯拉（T）。

1980年代初，通過熱冷循環(huán)處理后的表面刻蝕，Pd55Pb22.5Sb22.5合金形成的大塊金屬玻璃直徑可達(dá)到5毫米。

日本東北大學(xué)（Tohoku University）和加州理工學(xué)院的研究了基于鑭，鎂，鋯，鈀，鐵，銅和鈦的多組分非晶合金，其玻璃化臨界冷卻速率在1 K / s至100 K / s之間，與傳統(tǒng)的氧化物玻璃基本相當(dāng)。

1988年，發(fā)現(xiàn)鑭系、鋁系和銅系合金有著較高的玻璃形成能力。含有鈧的鋁基金屬玻璃的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到約1500MPa。

1990年代，科學(xué)家又開發(fā)了新的金屬玻璃合金，以低至1K/s的冷卻速率形成金屬玻璃。這些冷卻速率采用普通的金屬模具澆鑄法即可實(shí)現(xiàn)。這些“塊狀”非晶合金鑄件的厚度可達(dá)數(shù)厘米（最大厚度取決于合金種類），同時(shí)保持非晶結(jié)構(gòu)。金屬玻璃形成能力最強(qiáng)的合金是鋯系和鈀系合金。鐵系、鈦系、銅系、鎂系等合金也具備玻璃形成能力。許多非晶合金的形成借助于被稱為“混合效應(yīng)”的原理。非晶合金含有許多不同的元素（通常是四種或更多種），當(dāng)以足夠快的速率冷卻時(shí)，合金的組分原子在它們的遷移速率停止之前，無法輕易地將它們自身調(diào)整成平衡結(jié)晶態(tài)。通過這種方式，原子的隨機(jī)無序狀態(tài)被“鎖定”。

非晶金屬制備草圖

金屬（A）通過感應(yīng)線圈（I）熔化并受氣體壓力（P）推動(dòng)，通過坩堝（K）中的小孔噴射在旋轉(zhuǎn)鼓（B）上，在那里快速冷卻以形成帶狀物-非晶金屬（C）

1992年，商用非晶金屬（合金）Vitreloy 1（41.2％Zr，13.8％Ti，12.5％Cu，10％Ni和22.5％Be）在加州理工學(xué)院開發(fā)成功，作為能源部和NASA航空航天材料新研究的一部分，同時(shí)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)很多同族的非晶合金。

非晶金屬 Vitreloy 4. 化學(xué)成分: Zr47 Ti8 Cu7.5 Ni10 Be27.5. 圓柱體直徑約1 cm.

用非晶金屬材料所制的IPhone SIM卡取卡工具

2004年，大塊非晶鋼（BMG）由兩個(gè)研究小組成功生產(chǎn)：一組在美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室，他們的產(chǎn)品被稱為“玻璃鋼”，另一組在弗吉尼亞大學(xué)，他們產(chǎn)品被稱為“DARVA-Glass 101”。BMG產(chǎn)品在室溫下是沒有磁性的，并且比傳統(tǒng)鋼材的強(qiáng)度高，當(dāng)然，BMG材料在引入公共或軍事用途之前，仍有很長的研究和開發(fā)過程。

由BMG制成的高爾夫球桿

2018年，SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室，國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和西北大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)報(bào)告了使用人工智能方法在一年內(nèi)預(yù)測和評(píng)估20000種不同類似非晶金屬合金的樣品的結(jié)果。他們的方法有望加快新型非晶金屬合金的研究和上市時(shí)間。

三、非晶金屬的性能

從化學(xué)成分的組成來看，非晶金屬通常不是純金屬而是合金。非晶金屬合金組分的原子尺寸上，通常存在明顯不同，從而可在熔融狀態(tài)下獲得的較低自由體積（因此其粘度比其他晶體金屬和合金高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)）。熔融狀態(tài)下，非晶金屬的高粘度，可防止組分原子的充分移動(dòng)，阻礙其形成有序晶格。非晶金屬的這種材料結(jié)構(gòu)，還有助于獲得其冷卻期間的低收縮特性，以及高的塑性變形抗力。非晶金屬?zèng)]有晶界的存在（晶界通常是晶體材料的薄弱點(diǎn)），從而能獲得更好的耐磨性和耐蝕性。非晶金屬雖然從技術(shù)特點(diǎn)上講是一種“玻璃”，但它比氧化物玻璃和陶瓷更堅(jiān)韌且更不易碎。

非晶金屬的導(dǎo)熱率低于普通晶體金屬的導(dǎo)熱率。非晶金屬顯微結(jié)構(gòu)的形成主要依賴于快速冷卻，但這也限制了非晶金屬產(chǎn)品的最大厚度。

為了能在較慢的冷卻速度下獲得非晶結(jié)構(gòu)，非晶合金必須由三種以上組分構(gòu)成，這會(huì)導(dǎo)致晶胞的勢能升高，從而使其形成晶胞的機(jī)會(huì)降低。非晶金屬合金組分的原子半徑必須存在明顯差異（不低于12％），才能獲得高的填充密度和低的自由體積。非晶金屬組分的組合，應(yīng)使之具有負(fù)的混合熱，以抑制晶體成核，并延長熔融金屬在過冷狀態(tài)下的保持時(shí)間。

合金元素硼，硅，磷和非晶金屬組分中其他具有鐵磁性的金屬組分（鐵，鈷，鎳）混合后，制備獲得的非晶金屬（金屬玻璃）具有高磁化率，低矯頑力和高電阻率的特征。通常，非晶金屬的導(dǎo)電率與剛好高于熔點(diǎn)的熔融金屬的導(dǎo)電率相同。當(dāng)非晶金屬處于交變磁場中時(shí)，高電阻率有助于降低渦流損，這個(gè)特性對(duì)于變壓器磁芯具有重大意義。非晶金屬的低矯頑力也有助于降低變壓器磁芯的能量損耗。

與普通多晶金屬合金相比，非晶金屬具有更高的屈服強(qiáng)度和更高的彈性應(yīng)變極限，但它們的延展性和疲勞強(qiáng)度也相對(duì)較低。非晶金屬還具有多種潛在有用的特性，例如，與具有相同化學(xué)成分的晶體合金相比，它們往往比更強(qiáng)大的機(jī)械性能，可承受比晶體合金更大的彈性變形。非晶金屬的機(jī)械強(qiáng)度與它們獨(dú)特的非晶結(jié)構(gòu)相關(guān)，即非晶金屬不存在會(huì)劣化晶體合金強(qiáng)度的任何缺陷（例如位錯(cuò)）。有一種稱為Vitreloy非晶金屬，其抗拉強(qiáng)度幾乎是高牌號(hào)金屬鈦的兩倍。

由于室溫下的金屬玻璃不具有延展性，在受到拉伸時(shí)往往會(huì)發(fā)生突然失效現(xiàn)象，這限制了非晶金屬在可靠性要求比較高的場景中的應(yīng)用，這是因?yàn)榉蔷Ы饘俚氖鶝]有任何先兆。為改變這種現(xiàn)狀，科學(xué)家對(duì)生產(chǎn)由包含樹枝狀顆粒物或韌性結(jié)晶金屬纖維的非晶金屬組成的金屬基復(fù)合材料表現(xiàn)出濃厚的興趣。

大塊非晶合金最有用的特性，正是其玻璃性，這意味著它們?cè)诩訜釙r(shí)會(huì)軟化和流動(dòng)。這使其易于加工，例如通過注塑模，這與聚酯的加工方式大致相同。因此，非晶合金已在運(yùn)動(dòng)設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備和電子設(shè)備上獲得商業(yè)化應(yīng)用。

另外，通過高速氧燃料運(yùn)載技術(shù)，已可將非晶金屬薄膜作為保護(hù)涂層沉積到零件表面。

四、非晶金屬的分類

材料科學(xué)家從合金的成分、制備工藝和應(yīng)用性能等方面出發(fā)，已經(jīng)開發(fā)出一些非晶金屬（合金）體系。

(1)鐵基非晶合金。

鐵基非晶合金的主要成分為Fe、Si、B、C、P。其特點(diǎn)是磁性強(qiáng)，軟磁性能優(yōu)于電工鋼片，價(jià)格便宜，最適合替代電工鋼片，用作中低頻變壓器的鐵芯。

(2)鐵鎳基非晶合金。

鐵鎳基非晶合金的主要成分為Fe、Ni、Si、B、P。其特點(diǎn)是磁性比較弱，但磁導(dǎo)率比較高，價(jià)格較貴，可以代替電工鋼片或者坡莫合金（Fe-Ni合金），用于高要求的中低頻變壓器鐵芯。

(3)鈷基非晶合金。

鈷基非晶合金的主要成分為Co、Fe、Si、B。其特點(diǎn)是磁性較弱．但磁導(dǎo)率極高，價(jià)格很貴，一般替代坡莫合金和鐵氧體，用于要求嚴(yán)格的軍工電源中的變壓器、電感等。

(4)鐵基納米晶合金（超微晶合金）。

鐵基納米晶合金的主要成分為Fe、Si、B和少量的Cu、Mo、Nb等，其中Cu和Nb是獲得納米晶結(jié)構(gòu)必不可少的元素。它們先被制成非晶帶材，然后經(jīng)適當(dāng)退火．形成微晶和非晶的混合組織。這類合金的突出優(yōu)點(diǎn)是兼?zhèn)淞髓F基非晶合金的高磁感和鈷基非晶合金的高磁導(dǎo)率、低損耗，是成本低廉的鐵基材料。它可替代鈷基非晶合金、微晶態(tài)坡莫合金和鐵氧體，在高頻電力電子和電子信息領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用，以達(dá)到減小體積、降低成本等目的。

五、非晶金屬的應(yīng)用

目前，基于某些鐵磁性非晶金屬的特殊的低磁損特性，非晶金屬的主要用途是制造工頻和中高頻高效變壓器的磁芯。

非晶金屬是一種非常脆的材料，很難沖壓成電機(jī)的磁芯疊片。

利用鐵磁性非晶金屬的磁性特點(diǎn)，可用于制造商品的電子監(jiān)管標(biāo)簽（例如防盜無源ID標(biāo)簽）。

非晶金屬的低軟化溫度（較低的玻璃化溫度），可使納米顆粒復(fù)合物（例如碳納米管）和BMG的制備方法變得簡單，可在10納米到幾毫米的極小尺寸范圍內(nèi)對(duì)非晶金屬進(jìn)行圖案化處理，這或可用于解決納米壓印光刻中昂貴的硅制納米模易裂的問題，用非晶金屬制成的納米模具不僅易于制造，而且比硅模具更耐用。

與常規(guī)聚合物相比，BMG具有優(yōu)異的電子學(xué)，熱學(xué)和機(jī)械性能，使其成為電子應(yīng)用（如場致電子發(fā)射器件）級(jí)納米復(fù)合材料的良好選擇。

BMGs熱塑性成形

鐵磁性非晶金屬制造的變壓器磁芯

非晶金屬Ti40Cu36Pd14Zr10被認(rèn)為是非致癌的，比鈦強(qiáng)度大約三倍，其彈性模量與骨骼幾乎相當(dāng)。它具有高耐磨性，不會(huì)產(chǎn)生磨損粉末。該合金在凝固時(shí)不發(fā)生收縮?？赏ㄟ^使用激光脈沖進(jìn)行表面改性，生成生物可附著的表面結(jié)構(gòu)，從而可以更好地與骨骼連接。

日本東北大學(xué)研制的采用鈦基非晶金屬制作的人工手指關(guān)節(jié)，上部的柱狀結(jié)構(gòu)為插入部分

利哈伊大學(xué)（Lehigh University）正在研究快速冷卻獲得的非晶金屬M(fèi)g60Zn35Ca5，作為用于固定骨折的生物材料，例如植入骨骼中的螺釘，針或板。與傳統(tǒng)的鋼或鈦不同，這種材料以每月大約1毫米的速度溶解在生物體中，并被骨組織取代。這種速度可通過改變鋅的含量來調(diào)節(jié)。

可溶解的非晶結(jié)構(gòu)材料用于骨骼手術(shù)

六、非晶金屬的建模與理論研究進(jìn)展

大塊金屬玻璃（BMG）已完成原子尺度模擬（在密度泛函理論框架內(nèi)）建模，這種建模有點(diǎn)類似于高熵合金的建模。這使得BMG的行為，穩(wěn)定性和更多屬性變得可以預(yù)測。新的BMG系統(tǒng)可以通過某個(gè)定制系統(tǒng)，或某個(gè)特定用途（例如骨替換或航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件）經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。