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非晶态合金:汽车、电子产业新型高端材料
2021-08-02 08:16:34   来源:中国有色金属报    点击:

作者:王祝堂
 
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图1 晶态和非晶态微结构示意图
 
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图2 非晶态合金的强度和弹性极限,%
 
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图3 非晶电感磁芯
 
 
  中国成为非晶态合金领跑者
 
  非晶态合金又称非晶合金或液态金属,还有将其称为非晶态金属合金的,建议统一称为“非晶合金”,因为实际上用的都是合金,所以不要称为“液态金属”。非晶态合金是1959年发现的,现已成为一类前沿高新材料。世界上最早从事非晶合金及其产品生产的是美国的液态金属公司(Liquidmetal),2015年,该公司与苹果公司成为合作伙伴,推广非晶合金在手机中的应用,用于制造手机的无比耐用的联接件,使手机悄悄地成为可折叠的,一夜之间轰动了全球。
 
  国外从事非晶合金研发和生产的除了上述的液态金属公司(LQMT)外,还有米特里奥公司(MATERI0N),以及德国的恩格尔公司,韩国也有3个公司进入此领域,但现在已全部退出。中国于2014年掀起了非晶合金浪潮,组建了逸昊金属公司、常州世竟科技有限公司和帕姆蒂昊宇公司等,其中逸昊金属公司已成为此领域的领军者,在此之前,一般人并不了解非晶合金是一种什么材料,有什么用处,如何制备等等。
 
  2016年3月份,宜安科技有限公司李扬德教授收购美国液态金属公司46%股份并出任总经理(CEO),从而作为宜安科技子公司的逸昊金属公司在业务上与LQMT公司紧密地联系在一起。由于LQMT公司拥有全球非晶合金最核心、最全面的较大的块状非晶合金相关知识产权和制备技术,而逸昊金属有一支具备近20年新材料研发、模具、机械制备、成型和生产经验的过硬团队,拥有先进材料制备技术、成熟的生产工艺和完整的产业链,不仅在小件产品成型方面有日益成熟的经验,而且,有生产较大工件的能力,二者的结合,优势互补,使逸昊金属公司如虎添翼。
 
  非晶合金特点与性能
 
  大家知道,物质都是由原子组成的,那原子是怎样排布的?是有序的,还是无序的?按原子排列方式来说,可分为晶体和非晶体,晶体内原子排列是有序的,就像阅兵式上的士兵方阵,如金、银、铜、铁、锡、铝、镁、铅、锌等96种金属在固态时都是晶体,一旦变成液态,原子排列就乱成一团,成为非晶态。在以往数千年中,人类使用的金属或合金除汞外都是晶态结构的材料,其原子在三维空间内作有序排列,形成周期性的点阵结构。
 
  也有许多物质内的原子排列是紊乱的,就像一堆混乱的钢球,这就是非晶体,如液体、气体、玻璃、塑料。对于金属材料来说,通常情况下,金属及合金在从液体凝固成固体时,原子总是从液体的混乱排列转变整齐的排列,即转变为晶体,只有这样,其结构才稳定,处于低能量状态。不过,若液态金属或合金的凝固速度快,以致原子来不及整齐排列,那就冻结了,最终的原子排列类似于液体的,紊乱不堪,成为非晶合金。非晶合金原子的混乱排列状况类似于玻璃原子排列,所以又称为金属玻璃。由于超急冷凝固,合金凝固时原子来不及有序排列结晶,得到的固态合金属常呈无序结构,没有晶态合金的晶粒、晶界存在,在冶金材料科学发展史上,非晶的发现是一项有里程碑意义的成就。非晶和晶体结构的差别如图1所示。
 
  非晶的晶体结构特点使其具有许多独特的性能,如优异的磁性、抗蚀性、耐磨性、高的强度、硬度、韧性、电阻率和机电耦合性能等。图2示出了非晶态合金优于其他金属的强度和弹性极限。由于其性能优异,工艺简便,从20世纪80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点之一。
 
  什么物质能够制造成非晶呢?从理论上说,任何物质只要它的液体被冷却足够快,原子来不及整齐排列就凝固,那么原子在液态时的混乱排列被迅速冻结,就可以形成非晶。但是,不同的物质形成非晶所需要的冷却速度大不相同。例如,普通的玻璃只要慢慢冷却下来,得到的玻璃就是非晶态的。而单一的金属则需要高达每秒一亿度以上的冷却速度才能形成非晶态,由于目前工艺水平的限制,实际生产中难以达到如此高的冷却速度,也就是说,普通的单一金属难以在生产中制成非晶。
 
  为了获得非晶态的金属,一般将金属与其它物质混合。当原子尺寸和性质不同的几种物质搭配混合后,就形成了合金。这些合金具有两个重要性质:1.合金的成分一般在冶金学上的“共晶”点附近,它们的熔点远低于纯金属的;2.由于原子的种类多了,合金在液体时它们的原子更加难以移动,在冷却时更加难以整齐排列,也就是说更加容易被“冻结”成非晶。有了上面的两个重要条件,合金才可能比较容易地形成非晶。目前,实用的非晶合金都是多种元素组成的合金,如Fe-Si-B、Fe-Ni-P-B和Zr-Ti-Cu-Ni等合金。
 
  非晶合金的硬度与耐磨性远大于不锈钢、钛合金的,成为手机屏幕和外壳的良好的材料,材料越硬就越抗磨,越不易产生划痕;非晶合金有良好的光泽度,抗蚀性也很高,无需钻石高光倒角处理或工艺繁杂的阳极氧化处理,从而成为制造奢侈手表的难得材料;此外,压铸的非晶合金件精度与机械精加工产品的相当,可降低生产成本,也没有加工废料。
 
  不过,需指出的是,在技术层面上,非晶合金大块成型技术长期以来仍末突破,市场上尚未见>20g的产品,成了非晶合金产品开发难以逾越的瓶颈。形成规模非晶合金生产项目,资金及技术门槛相对比较高,小企业根本做不进来,而大企业更看重大的市场需求,市场需求没有打开,他们是不会轻易进来的。
 
  非晶合金的应用
 
  在对非晶合金有了初步的了解后,来看一下非晶合金的一个非常具有前景的应用领域——非晶变压器。非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料——非晶合金制作铁芯而成的变压器,它比硅钢片铁芯变压器的空载损耗下降约75%,空载电流下降约80%,是目前节能效果较理想的配电变压器,特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方。图3为非晶制造的电磁感应铁芯。中国的上市公司——置信电气自主创新开发了适合中国电网运行的非晶合金变压器系列产品,已经成为目前国内规模最大的非晶合金变压器专业化生产企业,这证明非晶材料有着广阔的市场空间。
 
  2006年开始,硅钢的大幅度涨价导致非晶价格甚至比硅钢还低;同时,其节能作用也由于对能源问题的重视而备受关注。非晶带材由于具有更低的损耗率,在用于新型配电变压器时,可以起到很好的降低电耗的作用,随着中国变压器市场加快向非晶配电变压器发展,非晶带材的市场正在不断扩大。
 
  国际上,美国、德国、日本等国都先后投入巨资发展非晶态合金产业。目前,非晶合金1K101宽带带材主要以日本为主,日立金属是世界上生产非晶合金1K101宽带带材最大的企业,2011年产量约7万吨。生产基地在日本清水,占地7500m2,主要生产SA1、SB1、SH1非晶合金宽带带材,规格为142mm、170mm、213mm。德国也是能生产非晶合金宽带带材的国家,但产量不高,主要以满足本国需求为主。
 
  中国的逸昊金属材料科技有限公司董事长高宽率领的团队在研发与开拓非晶合金市场方面做了许多工作,大力推动非晶合金在消费电子、汽车、医疗器械、体育用品等多个行业和领域的应用。非晶合金是目前汽车门锁扣制造较为理想的材料。由于车门很重,对门锁扣冲击力很大,材料都不够理想,逸昊公司等开发的非晶合金成了门锁扣的上乘材料,现在,逸昊公司生产的非晶合金已在特斯拉汽车公司等一些产品中获得应用。现在他们正在加强消费电子、医疗器械等市场的开拓。
 
  手机上应用的“人脸识别”技术,对镜头支架的要求很高,稍有偏差,都会导致识别失败,逸昊金属材料科技有限公司凭借其非晶合金的性能和综合成本优势于早些时候成功进入国内TOPS手机公司的供应链,已占市场分额的90%以上。
 
  据统计,2020年,全球非晶合金产品市场约450亿美元,其中手机框架约占18%。汽车与消费电子领域是有待深耕的宝地,同时,还要大力拓展有色金属市场,特别是镁、铝、钛非晶合金的研究与制备。高宽指出,无论是汽车还是消费电子产品,市场空间的每一步拓展都取决于终端厂商对非晶合金技术的认知和认同,新材料研发人员对下游产品开发的主动参与至关重要,只有从设计环节就参与到终端产品的开发流程,才能摸清产品的性能需求,才有机会打入产品供应链。一旦产品设计已经完成,再从采购端着手去突破市场就很难了。
 
 
 
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