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)?？墒?，最初人們認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)，所以金屬熔體會很容易發(fā)生晶化而不會得到非晶態(tài)。直到1960年，美國加州理工學(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，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教授是幸運的，可是當時的Duwez并不能意識到自己是幸運的，因為非晶合金的形成對于他來說太不可思議了，一度很反對發(fā)表這個結(jié)果。金屬玻璃的發(fā)現(xiàn)并不是對Duwez一個人來說不可思議，很多人都不能接受這個結(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。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。在市場層面，非晶合金的需求保持穩(wěn)定增長，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)的強勁推動。在電子電氣、汽車制造、航空航天等多個關(guān)鍵領(lǐng)域中，非晶合金以其低磁滯、低損耗、高強度和耐腐蝕等獨特優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用和認可。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)可以說是個突發(fā)奇想，也是對人類傳統(tǒng)認知的突破。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)的合金種類會受到元素周期表上金屬元素種類的限制。但是，人們長期以來并未進軍相圖的中間部位。因為根據(jù)傳統(tǒng)金屬學(xué)理論和吉布斯相律，當多種金屬混合在一起形成合金時，應(yīng)該會形成多相的脆性金屬間化合物，因而，人們長期忽視了相圖的中間部位。一直到2004年，中國臺灣清華大學(xué)的葉均蔚教授、英國劍橋大學(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)計理念不同，高熵合金主要基于“熵”的設(shè)計理念，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。隨著對高熵合金研究的不斷深入，其獨特的科學(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)動機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，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，高熵合金的市場規(guī)模正快速增長，特別是在國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)出了獨特的原子結(jié)構(gòu)特性（如圖4所示）。非晶合金以其拓撲無序的原子排列為顯著特征，因此常被稱為拓撲無序合金[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)。在非晶合金的長程拓撲無序基體中，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關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特點，也為其帶來了獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)[11−13]。高熵合金長程化學(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。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)家和工程師也相對較少。隨著這些材料獨特性能或科學(xué)意義的逐漸被發(fā)現(xiàn)和認可，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，這些新材料往往會面臨一個共同的挑戰(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)勢轉(zhuǎn)化為實際的產(chǎn)品和應(yīng)用，是新材料發(fā)展道路上必須面對的問題。因此，新材料的發(fā)展往往充滿起伏，當成為熱點的時候開始被更多的人認知，但更重要的往往是那些在這種新材料還不是熱點，甚至受到質(zhì)疑時依然在堅持的研究者，有了這些堅持，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，更是新材料研發(fā)推動科學(xué)研究深入和技術(shù)進步、滿足國家重大需求的價值實現(xiàn)。

3. 新材料持續(xù)發(fā)展的感想

新材料的發(fā)展始終需要一群堅韌不拔的探索者，他們憑借對科學(xué)的興趣和熱情，堅持在大多數(shù)人還未察覺其價值時深入研究。這些先驅(qū)者勇于面對未知，不畏質(zhì)疑，他們的工作是科學(xué)進步的基石，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)域的實際應(yīng)用。當新材料在性能上能夠相對于傳統(tǒng)材料展現(xiàn)出顛覆性的優(yōu)勢，或者在特定應(yīng)用場景中擁有不可替代性時，其工程應(yīng)用將更為迅速。但從實驗室的研究到實際工程應(yīng)用的落地，是一個復(fù)雜而漫長的過程。這個過程中，我們不僅要解決材料本身的性能問題，還要面對一系列工程應(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)揮離不開精準定位應(yīng)用場景。譬如，非晶合金在能量轉(zhuǎn)換、高強高彈、高硬耐磨、精密成型等多個方面的獨特性能，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，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。美國研發(fā)的SAM2X5-630鐵基非晶合金，其彈性極限高達12.5 GPa，這一性能幾乎達到了傳統(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，具有超高強韌、超耐溫、超耐蝕等性能，可能在超高溫、強腐蝕、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，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，其卓越的鑄造流動性、強塑性結(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)品能夠滿足實際應(yīng)用的復(fù)雜需求。同時，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)品與實驗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。材料在實際服役環(huán)境中可能會面臨腐蝕、氧化、應(yīng)力等多種因素的挑戰(zhàn)，因此需要對材料的綜合性能進行全面評估。這包括材料的強度、韌性、耐疲勞性、耐磨性等多個方面，以確保材料在實際應(yīng)用中能夠長期穩(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，確保新材料的性價比。同時，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環(huán)境造成污染。最后，還需要關(guān)注新材料的經(jīng)濟效益和社會效益，確保新材料的研發(fā)和應(yīng)用能夠為社會帶來實際的利益。

所以，在新材料研發(fā)與應(yīng)用推廣的征途上，國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、市場認知度低等多重挑戰(zhàn)，此時，國家的戰(zhàn)略規(guī)劃和資源調(diào)配能力能夠發(fā)揮巨大的推動作用。同時，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隊合作，確保新材料研發(fā)能夠沿著科學(xué)、有序、高效的軌道前進。在這一過程中，國家實驗室和國家重點實驗室扮演著舉足輕重的角色。它們憑借先進的科研設(shè)備、優(yōu)秀的科研團隊和豐富的科研經(jīng)驗，在新材料的研發(fā)中發(fā)揮著不可替代的作用。這些實驗室不僅能夠為新材料研發(fā)提供強大的技術(shù)支撐，還能夠為新材料的應(yīng)用推廣提供科學(xué)依據(jù)和解決方案。

4. 結(jié)束語

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，拓展了我們對材料科學(xué)的認知邊界，更帶來了全新的、卓越的材料性能，為解決現(xiàn)實世界的挑戰(zhàn)提供了可能。當實驗室中的科學(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)用的實際挑戰(zhàn)。尤其是在我國當前的發(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，僅僅依靠實驗室內(nèi)技術(shù)的突破是遠遠不夠的。關(guān)鍵的工程應(yīng)用還需要有組織的科研推動，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，確保新材料從實驗室走向市場的過程中能夠順利克服各種挑戰(zhàn)。特別是在國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，同時也是推動新材料技術(shù)不斷進步的重要動力。因此，應(yīng)該積極關(guān)注這些領(lǐng)域的需求，加強新材料研發(fā)與實際應(yīng)用之間的緊密聯(lián)系，共同推動新材料技術(shù)的快速發(fā)展。同時，隨著國家對新材料領(lǐng)域重視程度的不斷提升，國家重點實驗室重組對于解決實際工程問題的重視，國家實驗室和國家重點實驗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)將會極大的推動新材料研究的更快發(fā)展、推動技術(shù)創(chuàng)新、培養(yǎng)優(yōu)秀人才，為我國新材料產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供堅實保障。

文章來源——金屬世界