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摘要 ：非晶合金是一种新型材料，具有高强度、高韧 性、高弹性、易加工、耐腐蚀和抗磁性等卓越性能，在国 防、航天等高科技领域有广阔的应用前景。本文从横向和 纵向的角度对国内外非晶合金的基础研究能力和我国在 该领域的竞争状况进行全面分析。经过调研和分析，我国 在科研水平上有了质的提高，但整体水平仍然有较大的提 升空间，与国际水平相比还存在差距。通过系统的分析， 可以帮助我国更好地理解当前的竞争态势和问题，并认识 到国际上的影响。
关键词 ：非晶合金材料,发展趋势,启示
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年 规划纲要》将培育和发展战略列为国家可持续发展战略的 核心内容，立足于重大技术突破和发展需求，大力推进新 技术和新兴产业的深度融合。在新型材料领域，重点发展 新型功能材料、结构材料、纤维及其复合材料、基础共性 材料等。战略性新兴产业的价值占 GDP 的约 8%，国家发 展改革委员会发布的2010332号文件中提出要发展“新型 合金材料”。因此， 非晶合金材料的研制和产业化仍然是我 国重点技术攻关项目和工业示范项目。
1 非晶合金材料概述
非晶合金是一种新型金属材料，也被称为金属玻璃或 液体金属。它在20世纪 50 年代通过先进的快速冷却技术 和新的合金配方设计思想开发而成。这种材料具有特殊的 微观结构，即长程无序和短、中程有序，不像常规晶体材 料那样存在晶界和位错等结构缺陷，表现出一系列出色的 物理和化学性质。在国防、航天等高科技领域，非晶合金 材料有着广阔的发展前景，已广泛应用于智能手机外壳、 穿甲弹、职业高尔夫球棒、变压器铁心等领域。
可以说，非晶体的发现丰富了金属物理学领域的研究 内容，并积极推动了非晶态物理和材料的发展。在即将到 来的新技术和工业变革时代，新型结构材料和功能材料的 开发将对人类发展产生巨大影响。然而，作为一种新型材 料，非晶合金的发展方向一直是人们关注的焦点。非晶合金的发展也是我国材料工业和科学技术发展的缩影。对我 国非晶合金的发展现状进行系统分析，将有利于我国材料 科学的进一步发展，并为未来发展提供科学依据。现代文 献计量学已有很大发展，例如通过可视化技术对作者、机 构、国家和关键词等节点进行分析，可以快速找出相关主 要文献和关键文献， 掌握学科发展的动态。
2 非晶合金材料产业化的意义
2.1 我国电力行业发展的需要
我国目前面临着能源短缺和硅合金供应严重不足的问 题。虽然经过技术改造，武钢的定向硅钢年产能已经达到 了28万吨，但仍远远不能满足国内市场的需求，每年仍存 在 30 万吨以上的缺口。随着我国“节能减排指标”的不断 提高，我国非晶态合金产业的发展以及高效节能的无定形 配电变压器的推广应用已成为一项十分重要的工作。
2.2 非晶配电变压器行业发展的需要
通过对非晶态合金板的分析，得出了一项公认的结 论 ：非晶态金属板的价格不得超过定向硅钢的两倍，而非 晶配电变压器的售价也不能高于同类型硅钢配电变压器 的 1.3倍。在这样的背景下，非晶合金材料和配电变压器的 市场竞争力将进一步增强。近年来，由于定向硅钢的价格 从每吨 10 元上涨至 30 万元至40 万元，甚至最高可达到40 万元，日立公司以每吨2.7 万元的价格销售非晶态的变压 器铁心，每吨销售价格为 3.5万元至4万元。从目前的情况 来看，非晶态合金的价格已经低于定向硅钢，而非晶配电 变压器铁心的价格也比定向硅钢更低。因此，随着非晶变 压器规模的扩大以及制造工艺的不断成熟，其成本也会进 一步降低。
2.3 电子行业发展的需要
随着全球电子工业的迁移，国内电子工业得到了迅 速发展，其产品在国际市场上的竞争力也明显提高。国内 90% 以上的非晶磁心都由非晶质材料制成，因此近年来， 国内对非晶磁心的需求量也在不断增加。安徽省将新能源 汽车和白色家电列入千亿行业，对各种类型的磁心有着巨大的需求。
3 非晶软磁合金行业国际国内发展现状
3.1 非晶软磁合金行业国际发展现状
非晶软磁合金产业的发展历程大致可以分为两个时 期。第一个时期是从 1967 年到 1988 年，Duwez教授于 1967 年首次研制成功了Fe-P-C 系非晶态软磁合金，这标志着 非晶合金的研制取得了重要进展。1984 年，美国四大变压 器厂商在 IEEB 大会上推出了一款实用的非晶态配电变 压器，推动了非晶态合金在实际应用中的研究。在这一时 期，美国一直致力于发展非晶合金带材并推广节能型非晶 态变压器，在技术和产品方面形成了一定的垄断地位。到 1989 年，美国AlliedSignal公司的无定形带钢生产能力达到 每年 60000 吨，全球范围内约有一百万套无定形变压器， 而所有铁基无定形带材都来自于该公司。在 1988 年之前， 日本受到美国的限制，其非晶态合金技术发展受到了一定 影响。
第 二 个 阶 段 是 从 1988 年 至 今， 日 本 日 立 公 司 的 Yashizawa等人利用晶化工艺，以非晶态合金为基础，成功 研制出了纳米晶软磁性合金。这种合金具有较高的磁性和 较低的损耗，并且使用相对较便宜的铁基材料。因此，铁 基纳米晶合金的问世为软磁性材料的发展带来了新的突 破。纳米晶合金可以替代钴基非晶合金、晶态坡莫合金和 铁氧体等材料， 使得器件的体积缩小并降低成本。1988年， 日立公司成功实现了纳米晶合金的产业化，并推出了新的 产品。此后，日本科技团体委员会在 1999 年委托名古屋大 学与爱知钢铁公司共同研发了一种微磁敏元件及特殊IC 元件，其目的是在高速车辆的自动驾驶与安全监控系统中 应用该技术。
3.2 非晶软磁合金行业国内发展现状
我国的非晶材料研发始于 1976 年，“六五”以来，国家 科学技术委员会连续六个五年规划将非晶和纳米晶合金 的研发和产业化视为重要的公共科技项目。在“七五”期 间，建设了百吨级无晶带材中试线，实现了 100mm 宽带材 的生产 ;在“八五”期间，突破了无晶带材在线自动卷取 机的技术，并达到了年产量20 万套的中试生产规模 ;在 “九五”期间，我国建立了非晶态微晶合金工程技术研究中 心，成立了具有220mlTl 的千吨铁基无晶带材生产线，并 在全国范围内建设了 600t 的无晶变压器磁芯，经过五年的 技术推广，国内已经能够实现非晶带和非晶带产品的小规 模工业化生产。在“十一五”期间，纳米晶片及产品的产 业化也被列为国家重点项目，并得到了大力扶持，以满足 高技术领域对纳米晶片的需求。目前，我国已有20余家专注于非晶态软磁合金材料的企业，其中安泰科技(原钢铁 研究总院部分改制) 是我国研发实力最强、产业规模最大 的企业，也是国家重点攻关课题的负责人。而安徽芜湖君 华科技材料有限公司则主要生产各种非晶合金、各种非晶 合金磁心以及非晶合金设备，其在国内非晶态合金材料方 面的技术处于领先地位，部分产品已经上市销售，市场反 响良好。君华公司的非晶合金工艺技术基于南昌大学，与 合肥工业大学、南京航空航天大学、武汉大学、西南科技 大学和中国工程物理研究所等多所高校建立了技术合作 关系。公司计划在非晶带及相关产品开发方面展开相关项 目。该项目的实施对于促进非晶合金工业发展、降低生产 成本、拓宽应用范围、替代进口产品、提高本省非晶合金 技术水平、实现产业化和增强区域核心竞争力等方面具有 重要的现实意义。该项目的建设投资非常及时，也是非常 必要的。
4 非晶合金材料的研发态势及进展
4.1 非晶合金研发态势
非晶态合金的研发经历了四个高峰，目前已经开发出 了上百个非晶态合金系统，包括铁、铜、锆、稀土等。第一 个高峰发生在 1960 年，美国加州科技大学的杜维兹教授通 过一种快速凝固技术，第一次将非晶态合金制成。第二个 发展高峰是 80 年代左右，由日本、美国等国家领导的非晶 合金条带工业化、非晶合金粉末、膜的生产技术以及非晶 合金软磁性材料的应用。1990 年代，第三个高峰出现在日 本和美国，在这段时间里，通过化学成分的调整，金属的 黏性得到了很大的提升，非晶合金的临界尺寸由纳米级提 升到了毫米级，从而使非晶合金进入了块状合金的时代。 2000 年之后，第四个峰值出现在中国和美国的共同作用 下，中国近年来拥有76% 的非晶合金专利， 其中包括铁基、 铜基、锆基等非晶合金的制备和应用、配电变压器、软磁 芯的大量应用、高熵合金材料以及熵控制的无序合金开发 等。非晶合金的基本组成是非晶态和高熵，而非晶合金的 主要特点是成分无序，结构长程无序 ;高熵合金的主要特 征则是结构有序， 组分混乱。
4.2 我国无序合金研发已跃升国际一流水平
在 70 年代， 美国、日本、苏联、德国、英国等欧洲国家 都进行了非晶合金的研究和开发。然而，日本和欧洲的优 秀科学家大多已经退休，优秀的接班人也越来越少，技术 水平也越来越低 ;美国在非晶合金材料方面的科研投入不 足，青年科技人才匮乏，技术力量薄弱，目前美国的重点 研究是非晶合金的基础物理、模拟与机理。而我国目前非 晶合金的科研人员数量已经占全球的三分之二，青年科技人才的素质也在不断提高，其研发水平已经超越了日本、 欧洲和美国，跻身于世界一流行列。目前，在以 36 种金属 元素为基质的合金中， 已经发现了28种能够制备块状非晶 合金的成分。
我国的非晶合金研究能够跃升至世界先进水平，原因 之一是我们的科研经费不断增加，基础研究得到了长期积 累。同时，作为制造业大国，对新型金属材料的工业需求 也推动了非晶合金领域的发展。此外，大量优秀人才的涌 现也为我国在非晶合金研究方面取得了突破。非晶合金领 域的长期基础研究为其产业化提供了有力的支持和推动， 同时与此相关的基础研究也从实际应用中吸取问题，并推 动了其发展。
4.3 基础科学问题对非晶合金材料研发的制约
目前，我国无序合金材料研发面临的最大障碍是基础 科学问题。由于无序结构的复杂性，现有的理论、模型和 研究范式不能很好地解释和描述这种新现象，需要新的理 论和方法。目前，非晶合金材料研究中存在着四个主要的 基础问题 ：玻璃转化机理，即合金液体在长程无序、能量 亚稳定的非晶态下的转化过程 ;变形机理，指在外力作用 下，无序合金结构系统的变形过程和单位结构的能量耗散 校准，目前还缺乏统一的非晶态结构的数学模型 ;在此基 础上，非晶态材料的结构与性能、形变等因素之间的相互 关系也是阻碍其高效研发、性能设计和调整的重要因素。 只有在基础研究上取得突破性进展，才能有效地促进高性 能无序合金材料的研制和性能优化。
5 无序合金材料发展的启示与建议
新材料是我国高新技术产业的战略性和基础性产业， 也是高新技术企业间激烈竞争的焦点。非晶材料和高熵非 晶合金在金属材料领域有广阔的应用前景，我国目前已经 具备世界领先的技术和研究能力。在传统金属材料行业 中，引入新概念、创新工艺和技术，开发更多工业应用场 景，可以极大促进金属材料的研发和工业化，推动整个行 业的进步。为了适应我国科技成果转化的发展规律，加快 建立新型无序合金研究模式，优化开发体系，下面提出以 下建议。
重点研究非晶态、高熵等非晶合金的关键基础与技术 问题。在非晶合金的研究与应用中，仍存在着许多亟待解 决的重大科技问题。建议建立科研院所和企业的联合创新 平台，并设立无序合金研发中心，重点解决制约其规模化 应用的关键技术和问题。
推动非晶态合金和其他杂乱合金的跨越式发展。当 前，科学与技术应用、科技机构、科学探索和工业研究开发之间的界线越来越模糊，这些相互影响的关系是非晶 合金研究与应用的一个重要机制。然而， 非晶态合金的产 业化程度与科学技术发展相比还存在差距，企业的自主 创新和规模还有待进一步拓展。为了促进无序合金的发 展，建议在全国范围内集中、有计划地支持解决我国无序 合金发展中的重大技术和科技问题 ;并将科研资源与企 业资源结合起来，形成一套完整的“设计 - 研发 - 应用”的 产业链，挖掘更多应用场景，拓展应用领域。例如，采用 先进的工艺技术， 研制新一代高性能材料， 提升生产工艺 的自动化和智能化水平， 增加市场份额， 积极开拓国外市 场。此外， 还应推动非晶态合金在重要的交叉领域取得突 破， 以软材料为例， 通过非晶态合金和软质材料的交叉研 究，可以形成一个共同的前沿课题， 并构建一个普适的理 论体系 ;在信息技术方面，应推动非晶态合金以满足后 摩尔时代信息材料的多功能需求 ;在新能源方面，由于 非晶合金的独特结构、力学和电化学特性， 具有储氢和节 能的潜在价值 ;而在生物医学领域，非晶合金因其高强 度、低弹性模量和良好的生物相容性， 被认为是一种具有 前景的生物植入材料。
另外，还需要加强基础技术，推动无序合金材料工业 的整体升级。虽然三代块体非晶合金、高熵合金等新型无 定形合金取得了长足进展，但国内非晶合金工业仍以第一 代非晶条带和粉料为主，急需进行工业升级。研究机构和 科学家应通过相互协作，为企业提供人才支持，提升技术 水平，寻找新的应用领域和市场，推动非晶合金工业的发 展和基础研究。
在新形势下，还应加强学术交流和国际合作。非晶合 金的研究与应用要充分发挥信息时代的优势，促进非晶合 金的科学普及，广泛传播其对社会的重要意义 ;同时，探 索构建非晶合金研发、数据库、应用网络等多种新型研发 机构的模式和人才培养平台。
6 结语
综上所述，在传统金属材料领域，采用新的工艺、技 术和研究方法可以实现突破。通过优化研究体系和建立完 整的研究链模型，可以推动新型金属材料的大规模应用， 推动社会、科技和文明的发展。
(作者单位 ：湖南工学院) 基金项目 ：1. 衡阳市科技计划项目(项目编号 ： 202150063353) ;2.湖南省教育厅科学研究项目(项目编号 ：21B0805);3. 国家级大学生创新创业训练计划项目(项目 编号 ：202111528002)。
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