分享:從非晶和高熵合金的發(fā)展看新材料研發(fā)
1. 非晶與高熵合金的發(fā)展
非晶態(tài)合金與高熵合金這2種新型金屬材料的誕生與發(fā)展都是充滿意外和波折起伏的。非晶態(tài)合金最早被認(rèn)為是不可能產(chǎn)生的,液體在冷卻過程中只有抑制掉晶體的形核,最后才能形成非晶態(tài)。可是,最初人們認(rèn)為由于金屬熔體和晶態(tài)金屬的密度非常接近,而且金屬鍵沒有方向性,極易形成原子規(guī)律排列的有序結(jié)構(gòu),所以金屬熔體會(huì)很容易發(fā)生晶化而不會(huì)得到非晶態(tài)。直到1960年,美國(guó)加州理工學(xué)院的Duwez教授的學(xué)生不小心將完全融化的Au?Si二元合金噴射至冷的金屬表面,制得了幾十微米厚度的合金薄帶,經(jīng)過X射線衍射檢測(cè),發(fā)現(xiàn)并非傳統(tǒng)的晶體結(jié)構(gòu)特征,感到十分意外,并將其整理成一篇很短的文章“Non-crystalline Structure in Solidified Gold-Silicon Alloys”發(fā)表在Nature上[1],整篇文章只有一片蹩腳的X射線衍射圖(如圖1所示)。但就是這張蹩腳的X射線衍射圖開創(chuàng)了人類非晶態(tài)合金研究的領(lǐng)域。按說Duwez教授是幸運(yùn)的,可是當(dāng)時(shí)的Duwez并不能意識(shí)到自己是幸運(yùn)的,因?yàn)榉蔷Ш辖鸬男纬蓪?duì)于他來說太不可思議了,一度很反對(duì)發(fā)表這個(gè)結(jié)果。金屬玻璃的發(fā)現(xiàn)并不是對(duì)Duwez一個(gè)人來說不可思議,很多人都不能接受這個(gè)結(jié)果。甚至有人稱金屬玻璃是“愚蠢的合金”。隨著科研的深化,非晶合金不斷展現(xiàn)出豐富而引人入勝的科學(xué)現(xiàn)象和卓越的性能特點(diǎn)。其中,非晶態(tài)轉(zhuǎn)變,即玻璃轉(zhuǎn)變,已成為人類面臨的125個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題之一(如圖2所示)[2],非晶合金在軟磁、耐蝕、高強(qiáng)高彈等方面都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。近年來非晶合金更是發(fā)展迅猛。在市場(chǎng)層面,非晶合金的需求保持穩(wěn)定增長(zhǎng),這得益于可持續(xù)發(fā)展理念的普及、新能源技術(shù)的快速發(fā)展以及汽車行業(yè)的強(qiáng)勁推動(dòng)。在電子電氣、汽車制造、航空航天等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域中,非晶合金以其低磁滯、低損耗、高強(qiáng)度和耐腐蝕等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。在最新技術(shù)方面,非晶合金的制備技術(shù)取得了顯著的突破。熱力耦合制造技術(shù)、超聲振動(dòng)誘導(dǎo)塑性技術(shù)和原子制造概念等創(chuàng)新技術(shù)不斷涌現(xiàn),這些技術(shù)不僅提高了非晶合金的產(chǎn)量和品質(zhì),還成功解決了其加工成型的難題,為非晶合金在工程領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了更多可能性。
高熵合金的發(fā)現(xiàn)可以說是個(gè)突發(fā)奇想,也是對(duì)人類傳統(tǒng)認(rèn)知的突破。傳統(tǒng)的合金都是以1~2種金屬為主要元素,主要是基于“焓”的考慮,也就是2種原子之間的相互作用,少量添加其他的合金化元素,合金的成分主要位于相圖的兩側(cè)或邊角(如圖3所示),所得到的合金性質(zhì)會(huì)受到主要元素性質(zhì)的限制,譬如鋼鐵不可能具有鋁合金的特殊性能,鈦合金也不會(huì)具有鎂合金的性能等。因而人類所能夠開發(fā)的合金種類會(huì)受到元素周期表上金屬元素種類的限制。但是,人們長(zhǎng)期以來并未進(jìn)軍相圖的中間部位。因?yàn)楦鶕?jù)傳統(tǒng)金屬學(xué)理論和吉布斯相律,當(dāng)多種金屬混合在一起形成合金時(shí),應(yīng)該會(huì)形成多相的脆性金屬間化合物,因而,人們長(zhǎng)期忽視了相圖的中間部位。一直到2004年,中國(guó)臺(tái)灣清華大學(xué)的葉均蔚教授、英國(guó)劍橋大學(xué)的Cantor教授將Fe、Co、Ni、Cr、Mn 5種金屬元素混合在一起,意外的得到了單相固溶體結(jié)構(gòu),與人們傳統(tǒng)的認(rèn)知并不相同,高熵合金就此誕生[3−4]。與傳統(tǒng)合金基于“焓”的設(shè)計(jì)理念不同,高熵合金主要基于“熵”的設(shè)計(jì)理念,亦即主要基于多主元無序混合的調(diào)控。高熵合金誕生后的前10年并未受到特別的關(guān)注,甚至受到質(zhì)疑,譬如,它的熵到底高不高,有多高才算高熵,哪種熵高等等。隨著對(duì)高熵合金研究的不斷深入,其獨(dú)特的科學(xué)現(xiàn)象和卓越性能逐漸吸引了廣泛的學(xué)術(shù)關(guān)注。近十年間,高熵合金在高溫、低溫及動(dòng)態(tài)等極端環(huán)境下的出色表現(xiàn)尤為引人注目。在航空航天領(lǐng)域,高熵合金憑借優(yōu)異的高溫性能和輕量化特性,成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)和航天器制造的潛在理想材料。在能源領(lǐng)域,高熵合金被應(yīng)用于核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料和高溫氣冷堆涂層,顯著提升了材料的耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性。同時(shí),在醫(yī)療器械領(lǐng)域,高熵合金因出色的模量特性、生物相容性和耐腐蝕性,在牙科植入物、手術(shù)刀具等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。隨著性能的提升和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬,高熵合金的市場(chǎng)規(guī)模正快速增長(zhǎng),特別是在國(guó)家大力扶持新材料產(chǎn)業(yè)的背景下,其行業(yè)發(fā)展速度更是不斷加快。
2. 兩類新金屬材料發(fā)展的共同點(diǎn)分析
非晶合金和高熵合金,作為2種新興金屬材料,各自展現(xiàn)出了獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)特性(如圖4所示)。非晶合金以其拓?fù)錈o序的原子排列為顯著特征,因此常被稱為拓?fù)錈o序合金[5−8]。相比之下,高熵合金雖然擁有晶格結(jié)構(gòu),但其元素在晶格中的占位卻不清楚,因此被稱為化學(xué)無序合金[3,9−10]。然而,值得注意的是,這兩類看似無序的合金基體中,都潛藏著局域的有序結(jié)構(gòu)。在非晶合金的長(zhǎng)程拓?fù)錈o序基體中,可以觀察到中、短程的有序結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)上的不均勻性和起伏(Fluctuation)性是非晶合金的另一個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特點(diǎn),也為其帶來了獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)[11−13]。高熵合金長(zhǎng)程化學(xué)無序的基體中也存在著短程序以及更大尺度的局域化學(xué)有序結(jié)構(gòu),越來越多的研究證實(shí)了高熵合金中豐富的局域有序結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的不均勻性和起伏性并對(duì)其性能產(chǎn)生重要影響,甚至產(chǎn)生了與眾不同的特性??偟膩碚f,無論是非晶合金還是高熵合金,其局域結(jié)構(gòu)的不均勻性和起伏性都是這兩類材料共有的結(jié)構(gòu)特征,也正是這些特征,給予了它們與眾不同的性能和應(yīng)用潛力[14−15]。
比較有趣的是,這兩類材料的發(fā)展也呈現(xiàn)起伏的特點(diǎn)。它們可能源于一次意外的發(fā)現(xiàn)或瞬間的靈感迸發(fā),最初因其科學(xué)意義上的創(chuàng)新性,以及獨(dú)特的結(jié)構(gòu)或性能而吸引了部分科學(xué)家的目光。然而,在它們誕生的初期,由于未知性和潛在的局限性,往往會(huì)受到一定程度的質(zhì)疑,因此投入到研究中的科學(xué)家和工程師也相對(duì)較少。隨著這些材料獨(dú)特性能或科學(xué)意義的逐漸被發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可,它們開始吸引了越來越多的研究者,逐漸成為蓬勃發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域,新的研發(fā)成果層出不窮,研究熱度也隨之高漲。然而,在研究的熱潮之后,這些新材料往往會(huì)面臨一個(gè)共同的挑戰(zhàn)——尋找關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域。如何將這些新材料的性能優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的產(chǎn)品和應(yīng)用,是新材料發(fā)展道路上必須面對(duì)的問題。因此,新材料的發(fā)展往往充滿起伏,當(dāng)成為熱點(diǎn)的時(shí)候開始被更多的人認(rèn)知,但更重要的往往是那些在這種新材料還不是熱點(diǎn),甚至受到質(zhì)疑時(shí)依然在堅(jiān)持的研究者,有了這些堅(jiān)持,新材料才能出現(xiàn)柳暗花明又一村的發(fā)展。而最后的工程應(yīng)用更是新材料持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵,也是新材料研究者孜孜追求的終極目標(biāo),更是新材料研發(fā)推動(dòng)科學(xué)研究深入和技術(shù)進(jìn)步、滿足國(guó)家重大需求的價(jià)值實(shí)現(xiàn)。
新材料的發(fā)展始終需要一群堅(jiān)韌不拔的探索者,他們憑借對(duì)科學(xué)的興趣和熱情,堅(jiān)持在大多數(shù)人還未察覺其價(jià)值時(shí)深入研究。這些先驅(qū)者勇于面對(duì)未知,不畏質(zhì)疑,他們的工作是科學(xué)進(jìn)步的基石,為我們揭示了物質(zhì)世界的更多奧秘。然而,新材料的持續(xù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用,離不開其在工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)新材料在性能上能夠相對(duì)于傳統(tǒng)材料展現(xiàn)出顛覆性的優(yōu)勢(shì),或者在特定應(yīng)用場(chǎng)景中擁有不可替代性時(shí),其工程應(yīng)用將更為迅速。但從實(shí)驗(yàn)室的研究到實(shí)際工程應(yīng)用的落地,是一個(gè)復(fù)雜而漫長(zhǎng)的過程。這個(gè)過程中,我們不僅要解決材料本身的性能問題,還要面對(duì)一系列工程應(yīng)用中的挑戰(zhàn),如成本、穩(wěn)定性、生產(chǎn)工藝、環(huán)境適應(yīng)性等。因此,解決工程應(yīng)用問題同樣需要智慧、勇氣和耐心,而且還需要來自產(chǎn)業(yè)界的協(xié)同攻關(guān)。
首先,新材料優(yōu)異性能的發(fā)揮離不開精準(zhǔn)定位應(yīng)用場(chǎng)景。譬如,非晶合金在能量轉(zhuǎn)換、高強(qiáng)高彈、高硬耐磨、精密成型等多個(gè)方面的獨(dú)特性能,使其在新能源、航空航天、精密儀器等關(guān)鍵領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì),如圖5(a)所示,并有望在其中發(fā)揮舉足輕重的作用。通過采用非晶合金替代硅鋼,配電變壓器的空載損耗得以顯著降低,降幅高達(dá)60%~70%,從而使得非晶配電變壓器作為新一代產(chǎn)品展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。美國(guó)研發(fā)的SAM2X5-630鐵基非晶合金,其彈性極限高達(dá)12.5 GPa,這一性能幾乎達(dá)到了傳統(tǒng)碳化鎢軍用裝甲的3倍[16]。而高熵合金則因其多元素協(xié)同作用,具有超高強(qiáng)韌、超耐溫、超耐蝕等性能,可能在超高溫、強(qiáng)腐蝕、輕質(zhì)高承載等極端環(huán)境和復(fù)雜工況下展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì),有望為航空航天、海洋工程、能源化工等領(lǐng)域提供關(guān)鍵材料支撐,如圖5(b)所示。如盧一平等[17]研發(fā)的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵,其卓越的鑄造流動(dòng)性、強(qiáng)塑性結(jié)合以及出色的耐海水腐蝕性能,使其成為船舶推進(jìn)器等應(yīng)用的理想選擇。
其次,工業(yè)制備和生產(chǎn)是材料研發(fā)中不可或缺的一環(huán)。工業(yè)應(yīng)用需要解決大尺寸、復(fù)雜形狀的制備問題,確保大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜需求。同時(shí),產(chǎn)品性能的一致性至關(guān)重要,不同批次之間以及工廠產(chǎn)品與實(shí)驗(yàn)室樣品之間不能有顯著的性能差異。這需要開發(fā)適用于工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)和工藝,并在制備過程中嚴(yán)格控制工藝參數(shù),確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。
再者,工程應(yīng)用中的安全性和綜合性能同樣不可忽視。材料在實(shí)際服役環(huán)境中可能會(huì)面臨腐蝕、氧化、應(yīng)力等多種因素的挑戰(zhàn),因此需要對(duì)材料的綜合性能進(jìn)行全面評(píng)估。這包括材料的強(qiáng)度、韌性、耐疲勞性、耐磨性等多個(gè)方面,以確保材料在實(shí)際應(yīng)用中能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定服役。
此外,成本、環(huán)保和效益問題也是必須考慮的方面。新材料的研發(fā)和應(yīng)用需要投入大量的資金和人力,因此需要充分考慮成本問題,確保新材料的性價(jià)比。同時(shí),也要關(guān)注環(huán)保問題,避免新材料在制備和使用過程中對(duì)環(huán)境造成污染。最后,還需要關(guān)注新材料的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,確保新材料的研發(fā)和應(yīng)用能夠?yàn)樯鐣?huì)帶來實(shí)際的利益。
所以,在新材料研發(fā)與應(yīng)用推廣的征途上,國(guó)家的支持顯得尤為關(guān)鍵。許多新材料的初期應(yīng)用往往面臨著技術(shù)不成熟、市場(chǎng)認(rèn)知度低等多重挑戰(zhàn),此時(shí),國(guó)家的戰(zhàn)略規(guī)劃和資源調(diào)配能力能夠發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用。同時(shí),為避免行業(yè)內(nèi)因追求熱度而盲目跟風(fēng)、無序低效地開展研究和應(yīng)用推廣,需要構(gòu)建有組織的科研體系。通過明確的科研方向、合理的資源配置和高效的團(tuán)隊(duì)合作,確保新材料研發(fā)能夠沿著科學(xué)、有序、高效的軌道前進(jìn)。在這一過程中,國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室扮演著舉足輕重的角色。它們憑借先進(jìn)的科研設(shè)備、優(yōu)秀的科研團(tuán)隊(duì)和豐富的科研經(jīng)驗(yàn),在新材料的研發(fā)中發(fā)揮著不可替代的作用。這些實(shí)驗(yàn)室不僅能夠?yàn)樾虏牧涎邪l(fā)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐,還能夠?yàn)樾虏牧系膽?yīng)用推廣提供科學(xué)依據(jù)和解決方案。
非晶合金、高熵合金等新金屬材料的發(fā)展往往是由于意外或者突發(fā)奇想,起始于科學(xué)家們對(duì)科學(xué)問題的濃厚興趣與不懈追求。新材料的研究不僅為我們揭示了諸多新奇的現(xiàn)象,豐富了理論框架,拓展了我們對(duì)材料科學(xué)的認(rèn)知邊界,更帶來了全新的、卓越的材料性能,為解決現(xiàn)實(shí)世界的挑戰(zhàn)提供了可能。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室中的科學(xué)問題得到一定程度的解決后,這些新材料便面臨著工程應(yīng)用的實(shí)際挑戰(zhàn)。尤其是在我國(guó)當(dāng)前的發(fā)展階段,新金屬材料的快速工程化應(yīng)用顯得尤為重要。為滿足這一迫切需求,我們需要探索新的研究范式和研究技術(shù),如材料基因工程前沿技術(shù)等,這些都將為新材料的研發(fā)提供強(qiáng)有力的支持。
然而,要將新材料成功應(yīng)用于工程領(lǐng)域,僅僅依靠實(shí)驗(yàn)室內(nèi)技術(shù)的突破是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。關(guān)鍵的工程應(yīng)用還需要有組織的科研推動(dòng),特別是在應(yīng)用的起步階段,需要通過跨學(xué)科的合作,整合各方資源,形成研究合力,確保新材料從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)的過程中能夠順利克服各種挑戰(zhàn)。特別是在國(guó)家重大工程等新興領(lǐng)域、新質(zhì)生產(chǎn)力領(lǐng)域的應(yīng)用,對(duì)于新材料研發(fā)的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。這些領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅苡兄鴺O高的要求,同時(shí)也是推動(dòng)新材料技術(shù)不斷進(jìn)步的重要?jiǎng)恿?。因此,?yīng)該積極關(guān)注這些領(lǐng)域的需求,加強(qiáng)新材料研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用之間的緊密聯(lián)系,共同推動(dòng)新材料技術(shù)的快速發(fā)展。同時(shí),隨著國(guó)家對(duì)新材料領(lǐng)域重視程度的不斷提升,國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重組對(duì)于解決實(shí)際工程問題的重視,國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將在新材料的研發(fā)中發(fā)揮更加重要的作用,在從原始創(chuàng)新到工程應(yīng)用的全鏈條創(chuàng)新體系中的協(xié)同有組織科研攻關(guān)將會(huì)極大的推動(dòng)新材料研究的更快發(fā)展、推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新、培養(yǎng)優(yōu)秀人才,為我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)保障。
文章來源——金屬世界
3. 新材料持續(xù)發(fā)展的感想
4. 結(jié)束語