非晶合金的案例
【分析】非晶合金變壓器對國家電網運行的安全性
國內某非晶合金帶材公司年報獲悉，非晶合金帶材的毛利率可達100%甚至更高，在利用20多年的研發過程中不斷的向國家電網推薦使用非晶合金變壓器的好處。
鎂基非晶合金的研究進展
非晶合金在微觀結構上具有短程有序，長程無序的特點，這和玻璃結構類似，非晶合金也因此被稱作“金屬玻璃”。這種無序結構決定了非晶合金具有許多獨特的性能，例如高強度、高硬度、良好的耐磨性和高耐腐蝕性等。因此，非晶合金在電子產品、體育用品、軍工材料、磁性材料、醫療器械和航空航天等領域均具有廣泛的應用前景。
20世紀80年代后期，日本東北大學Inoue教授課題組首次開發出了成分為Mg50Ni30La20的Mg基非晶合金，這種合金體系有較寬的過冷液相區(約為50K)和高的非晶形成能力。自此以后，Mg基非晶合金的研究正式拉開了序幕。2010年，Gu等制備出可用于生物醫學的Mg-Zn-Ca體系Mg基非晶合金，成為Mg基非晶合金的新的應用方向。
目前，Mg基非晶合金的研究體系已經從三元非晶合金發展到多元非晶合金，例如Mg-Cu-Ag-Ca，Mg-Cu-Ag-Y-Gd，Mg-Cu-Ag-Gd-Ni合金。現在的Ｍｇ基非晶合金的研究對象主要包括Mg-Zn-Ca和Mg-TM-RE(TM，過渡元素；RE，稀土元素)兩個典型體系。
（1）Mg基非晶合金的優勢
①Mg基非晶合金與鎂合金
圖1總結了幾種典型非晶合金的彈性模量與抗拉強度、維氏硬度之間的關系，并給出了一些傳統晶體合金的數據用來作為對比。
圖1:非晶合金與晶態合金彈性模量、抗拉強度及維氏硬度的對比
由圖1可知，非晶合金的抗拉強度和維氏硬度均與其彈性模量大致呈線性關系，三者在傳統晶體合金中同樣表現出相同的趨勢。不同的是，非晶合金線性關系的斜率明顯大于傳統的晶體合金。這表明非晶合金與傳統晶體合金的基本力學性能有著顯著的差異。
展開 非晶合金與硅鋼使用在變壓器上有何區別
非晶合金在工頻和中頻領域，正在和硅鋼競爭。非晶合金和硅鋼相比，有以下優缺點。
1
非晶合金的飽和磁通密度Bs比硅鋼低。在同樣的Bm下，非晶合金的損耗比0.23mm厚的3％硅鋼小。
一般人認為損耗小的原因是非晶合金帶材厚度薄，電阻率高。這只是一個方面，更主要的原因是非晶合金是非晶態，原子排列是隨機的，不存在原子定向排列產生的磁晶各向異性，也不存在產生局部變形和成分偏移的晶粒邊界。因此，妨礙疇壁運動和磁矩轉動的能量壁壘非常小，具有前所未有的軟磁性，所以磁導率高，矯頑力小，損耗低。
展開 非晶合金與硅鋼使用在變壓器上有何區別
8
非晶合金退火溫度比硅鋼低。非晶合金退火溫度比硅鋼低，消耗能量小，而且非晶合金磁芯一般由專門生產廠制造。硅鋼磁芯一般由變壓器生產廠制造。
根據以上比較，只要達到一定生產規模，非晶合金在工頻范圍內的電子變壓器中將取代部分硅鋼市場。在400Hz至10kHz中頻范圍內，即使有新的硅鋼品種出現，非晶合金仍將會取代大部分0.15mm以下厚度的硅鋼市場。
值得注意的是，日本正在大力開發FeMB系非晶合金和納米晶合金，其Bs可達1.7～1.8T，而且損耗為現有FeSiB系非晶合金的50％以下，如果用于工頻電子變壓器，工作磁通密度達到1.5T以上，而損耗只有硅鋼工頻變壓器的10％～15％，將是硅鋼工頻變壓器的更有力的競爭者。
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華中科技大學柳林組JMCA: 新型熱噴涂3D打印技術制備大尺寸高韌性Fe基非晶合金及其復合材料
研究發現，該非晶合金及復合材料具有優異斷裂韌性主要歸因于熱噴涂產生的扁平狀層間結構，阻礙裂紋貫穿性擴展，從而提高材料的斷裂韌性。在此基礎上，輔以預制模板，就可以打印出形狀較為復雜的三維非晶零件。相比于傳統激光3D打印技術，TS3DP技術具有更高的3D打印效率（是激光3D打印的4-10倍）。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸、高韌性非晶合金及復合材料的新方法，也為促進高性能非晶合金及復合材料的工業應用奠定基礎。
【圖文導讀】
圖1. 熱噴涂3D打印技術原理示意圖以及大尺寸Fe基非晶合金及復合材料樣件
圖2. 熱噴涂3D打印成形非晶合金及復合材料的顯微結構表征（SEM、TEM）
圖3. 熱噴涂3D打印非晶合金及復合材料的壓縮性能與斷裂韌性
圖4. 熱噴涂3D打印非晶合金及復合材料的斷裂與增韌機理分析
圖5. 采用模板輔助熱噴涂3D打印技術制備的形狀復雜的非晶合金及復合材料構件
【小結】
在這個工作中，研究人員開發出一種新型熱噴涂3D打印技術，成功制備出大尺寸Fe基非晶合金及其復合材料，該材料具有高強度（>1.8 GPa）及良好的斷裂韌性（13-21 MPa 1/2）。
在此基礎上，輔以預制模板，打印出形狀較為復雜的三維非晶零件。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸、高韌性非晶合金及復合材料的新方法，也為促進高性能非晶合金及復合材料的工業應用奠定基礎。該研究得到了國家自然科學基金項目（51531003；51471074）以及科技部973項目（2015C856801）等資助。
展開 非晶合金仿真模擬
非晶合金具有很多特殊的性質，其中在動力學方面具有明顯的“自銳性”，使其具有較強的侵徹與破壞能力。但由于非晶合金本身的無序結構、對溫度和應變速率的高敏感性，現有的材料模型及材料參數都很難較好地對其進行動力學模擬。
隨著越來越多具有新性質的材料出現，進行新的材料本構開發也慢慢成為研究方向之一。針對非晶合金，也有不少研究人員對其本構模型進行了探索。目前能較好描述非晶合金性能的本構模型，是李繼承博士基于Vit1合金開發的，其中考慮了材料的高強度、較高的溫度和應變速率敏感性、自由體積濃度的影響，并能在侵徹動力學過程中表現出明顯的“自銳性”和代表非晶另一典型特征的剪切帶。完整的本構方程如下所示：
本人基于LS-DYNA二次開發功能，使用上述本構模型編寫了非晶合金材料的用戶子程序，并實現了對非晶合金動力學過程的仿真模擬。如下是模擬非晶合金泰勒桿高速碰撞響應的部分效果圖。由于非晶模擬方面的資料和同仁較少，因此歡迎和大家一起交流進步！
展開 非晶合金永磁電機的電磁振動噪聲計算與分析
將非晶合金材料應用在電機定子鐵芯上，對其損耗和磁通密度脈動進行研究和分析，得知非晶合金定子電機損耗小于硅鋼片電機，磁通密度脈動穩定性好于硅鋼片。通過裝在概念車測試，非晶合金電機概念車的續航里程比硅鋼片電機的長，非晶合金電機的平穩性更好些。
非晶合金，讓飲用水更清潔！
機理研究的結果表明：在中性條件下，Fe-Si-B非晶合金表面的Fe2+可以與H2O2反應生成活性物質（圖4）。經鑒定該活性物質是高價鐵Fe(IV)，而非傳統認為類芬頓反應產生的羥基自由基，這是一種全新的非晶合金催化降解機制。
圖3.Fe-Si-B非晶條帶催化降解3,5-二氯水楊酸的循環性能圖
圖4.Fe-Si-B非晶條帶與H2O2反應產生活性物質的順磁共振波普圖
相比于羥基自由基，Fe(IV)是一種更具選擇性的氧化劑，可以高效降解飲用水中的芳香族DBP 3,5-二氯水楊酸。Fe-Si-B非晶合金因其表面原子具有更高的活性，相比于其對應晶態合金，其獨特的非晶態結構更易于吸附H2O2，使得其中的Fe2+更容易被氧化，表現出更低的激活能，從而實現高降解效率和優異的循環性能（圖5）。
圖5.Fe-Si-B非晶條帶催化降解3,5-二氯水楊酸的機理
該研究得到了廣東省應用與基礎研究重大項目（2019B030302010），國家自然科學基金面上項目（51871157,5197115）、深圳市基礎研究重點項目（JCYJ20170412111216258）和國家重點研發計劃（2018YFA0703605）等資助。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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實用！
展開 非晶合金鐵心變壓器幾種制作方法
非晶合金鐵心的損耗與合金帶表面壓力相關度很大，損耗會隨著壓力的增大而迅速上升。因此，應選擇合理的裝配結構，使鐵心表面壓力維持在低于某一允許值。
4、噪聲
變壓器的噪聲源于變壓器鐵心在交變磁通下磁致伸縮而引起的振動。決定噪聲高低的主要因素是鐵心中的磁通密度和鐵心的夾緊程度。
由于非晶合金的磁致伸縮程度比硅鋼片高約10%，而且非晶合金鐵心不適宜過度夾緊，因此，非晶變壓器的噪聲將高于硅鋼片變壓器。
歐洲的電力部門曾做過兩類變壓器的噪聲比較試驗，結果顯示，非晶變壓器的聲級比同類規格的硅鋼片變壓器高6-8dB。當然，這是可以接受的，因為它仍在歐洲環境規程對噪聲的要求之內。
展開 哈工大《Sci China Mater》：微觀結構調控優化高熵非晶合金磁熱性能
含稀土高熵非晶合金是近年來磁熱材料領域較受矚目的一類材料，具有較優異的磁熱性能，但其存在磁轉變溫度過低(< 60 K)的情況，這將限制合金的實際應用。
本課題組前期研究發現：Fe摻雜可有效提高含稀土磁熱高熵非晶合金的居里溫度。具體成分為(Gd36Tb20Co20Al24)100-xFex(x = 0、1、2和3 at.%)，所有四個合金成分均可成功制備出微米級纖維樣品，其中x = 2和x = 3纖維具有非晶/納米晶雙相結構。四種纖維具有在81-100 K溫區內可調節的居里溫度以及較高的磁熱性能。但由于納米晶含量過小，x =2和x = 3合金纖維僅觀察到納米晶對磁熱曲線的寬化作用。
為了進一步探究納米晶相對高熵非晶合金的磁熱性能和臨界行為的具體影響機制，需要進一步增加納米晶含量。非晶合金的可控晶化可以通過退火處理來實現，相關退火處理方法通常分為：在保護氣體條件下退火、在磁場條件下退火、在壓力條件下退火或電流退火等，其中，對于合金纖維而言，電流退火具有工藝參數精確可控、防止纖維變脆等優點，此外電流退火還可保持加熱過程中產生的晶粒尺寸在納米尺度范圍內。因此，在本研究中，我們選用電流退火處理Fe摻雜高熵合金纖維。
展開 南京理工《Nature Materials》：非晶合金材料取得突破性進展！
關于鈀-鎳-磷非晶合金的隱藏液態相變的研究工作于2017年發表在國際權威雜志自然通訊上，被基金委首頁以要聞報道，同時被自然通訊雜志冶金專欄收藏。獲得江蘇省333高層次人才計劃、六大人才高峰人才計劃、雙創博士計劃支持。因為非晶合金中程序結構和相變方面的突出工作，2017年7月獲得中國材料大會非晶與高熵合金“杰出青年科學家獎”。2017年8月組織國際知名的戈登研討會（GRS）中子散射研討會并作GRC邀請報告。2021年1月起擔任稀有金屬（英文）Rare Metals期刊的青年編委。
【吳楨舵博士簡介】
吳楨舵博士，東莞市香港城市大學研究院助理院長/中子散射應用物理研究中心研究員。2015年香港中文大學博士畢業（師從H. W. Kui教授）。2015-2017年在香港城市大學擔任博士后研究員（導師為王循理教授）。2017-2020年在深圳市發展改革委創新中心工作，擔任重大科技基礎設施管理中心部門負責人，參與編制粵港澳大灣區綜合性國家科學中心先行啟動區建設方案，以及深圳重大科技基礎設施的規劃論證和管理。目前主要從事非晶合金及過冷液體相變領域的研究，累計在Nature Materials、Applied Physics Letters等雜志發表論文20余篇。
【谷林教授簡介】
谷林教授，中國科學院物理研究所研究員，從事電子顯微學方法研究近20年。2002年清華大學本科畢業，啟蒙于我國電子顯微學專家朱靜院士。
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【講解】非晶變壓器設計特點及發展前景！
非晶態合金鐵芯具有高飽和磁感應強度、低損耗、低激磁電流、良好的溫度穩定性等特點。非晶合金變壓器(Amorphous Metal Transformer)是一種低損耗、高能效的電力變壓器。此類變壓器以鐵基非晶態金屬作為鐵芯，由于該材料不具長程有序結構，其磁化及消磁均較一般磁性材料容易。因此，非晶合金變壓器的鐵損（即空載損耗）要比一般采用硅鋼作為鐵芯的傳統變壓器低70~80%。
由于損耗降低，發電需求亦隨之下降，二氧化碳等溫室氣體排放亦相應減少。基于能源供應和環保的因素，非晶合金變壓器在中國和印度等大型發展中國家得到大量采用。以中印兩國目前的用電量來計算，若于配電網全面采用非晶合金變壓器的話，每年大約可節省25-30TWh發電量，以及減少2至3千萬噸二氧化碳排放。
展開 非晶態合金表面的水潤濕動力學
編者按
《非晶態合金表面的水潤濕動力學》一文采用分子動力學模擬方法研究了改進的Simple pointcharge模型SPC/E水滴在Cu50Zr50非晶薄膜上的潤濕行為和鋪展過程。研究發現，水滴在Cu50Zr50非晶薄膜表面上表現出較高的鋪展速度，在鋪展過程中形成了明顯的吸附層。非晶表面的水分子在吸附層內呈現完全無序的單層排列方式，水分子方向傾向平行于表面。上述工作的通信作者為北京理工大學物理學院呂勇軍副教授。
引 言
潤濕是自然界中常見的一種物理現象，它在材料科學、生物醫學和流體力學等研究領域有著廣泛的應用。
非晶合金表面同樣呈現出豐富的潤濕現象。通過對非晶合金進行表面處理，獲得超疏水的非晶合金表面，甚至在某些光滑的非晶合金表面也觀察到了超疏水現象。相比于晶態表面，非晶合金表面原子排列無序，表面原子表現出較高的遷移率，這些表面特征有利于水滴完全潤濕。因此非晶合金表面上水滴的潤濕行為及微觀機理仍然值得深入研究。
結果分析與討論
水滴在Cu50Zr50非晶合金薄膜表面的潤濕過程：
水滴在三種薄膜表面上潤濕動態過程
水滴在非晶表面完全潤濕，潤濕角接近0°，與CuZr (100) 和(110) 晶體表面上的潤濕過程類似。在模擬的初始0.1ns內，水滴在非晶合金表面迅速鋪展，基底與水滴之間形成一個單分子厚度的吸附層。
在(100)和(110)晶態表面上并沒有明顯的單層吸附層形成而是在液滴的邊緣處形成了典型的腳狀形態。
非晶和晶態表面上的水滴接觸角附近的形態
水滴在Cu50Zr50非晶合金表面、CuZr (110) 和 (100) 晶面上的鋪展動力學
圖（a）是水滴在潤濕過程中鋪展半徑隨時間的變化規律。
展開 非晶材料的動力學研究取得進展！
非晶態合金（又稱金屬玻璃）是50多年前發現的一類新型的非晶材料，它的發現極大豐富了金屬物理的研究內容，日益成為凝聚態物理的研究前沿。非晶合金表現出很多獨特的物理、化學性質，特別是塊體非晶合金具有優異的力學性能，例如超高的強度和斷裂韌性、高強度、低彈性模量等。
塊體非晶合金被認為是迄今為止發現的最強、最硬、最軟、最韌的金屬結構材料。盡管近年來在非晶合金方面涌現出大批的研究成果，但非晶合金中的一些基本問題仍然缺乏清晰的認識，例如非晶態轉變的物理本質和非晶合金優異力學性能的物理本源等。目前的研究表明這些問題都與非晶合金中復雜的多重弛豫行為有關聯。在非晶態合金形成過程中，存在長時結構弛豫與短時次級弛豫（弛豫）并存的多重動力學行為，次級弛豫的行為表征以及微觀機制是目前非晶合金研究中的關鍵問題。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室汪衛華研究組和北京理工大學呂勇軍課題組合作，采用分子動力學方法研究了非晶CuZr合金薄膜的弛豫動力學行為。在非晶態合金的弛豫動力學研究方面取得新進展，揭示了二維非晶合金薄膜材料中次級弛豫形成的微觀機理，發現在接近非晶態轉變的過冷區域存在快慢兩種亞模式。
這種多尺度的弛豫行為一直延續到非晶態。模擬結果進一步表明，弛豫在非晶態轉變溫度附近存在著一個動力學轉變。進一步的單粒子動力學分析發現轉變前的弛豫主要是隨機的、熱激活的單粒子跳躍，轉變后的弛豫主要是高度關聯的協同跳躍，后者與應力不均勻性存在著內在聯系，從而給出了非晶合金中弛豫的清晰物理圖像。這些結果對認識非晶的本質、調控非晶材料的物理性質具有意義。
相關研究成果發表在近期的《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 120, 155501 (2018)]上，該工作得到了國家自然科學基金委的資助和支持。
展開 【科普系列】Fe基非晶粉末應用簡介
非晶合金，又稱金屬玻璃（metallic glasses, MGs），因為具有高強度、高硬度和優異的耐磨及耐腐蝕性能受到科學界的青睞，并成為材料學和凝固態物理領域的一個重要研究方向。但非晶合金的制備需要極快的冷卻速度（104~106 K/s），這導致了其制備尺寸受限；同時，由于非晶合金室溫塑性差，機械加工困難，也因此成為阻礙其推廣應用的主要瓶頸。而非晶粉末的成功制備，為塊體非晶合金應用難的問題提供了一條嶄新的途徑。其中，Fe基非晶粉末具有低的材料成本、優異的性能等優勢，受到了科研領域的廣泛關注，并在涂層制備、磁性材料、激光3D打印、廢水處理等領域得到了一定的研究與應用，同時在傳感、控制等功能性器件及薄膜等小尺寸、低維材料及柔性電子領域也展現出巨大的應用潛力。
Fe基非晶粉末的制備
目前，Fe基非晶合金粉末的制備方法主要有3種：（1）通過霧化法（主要為氣霧化和水霧化)制備非晶合金粉末，此種方法制備的非晶合金粉末成形粒度好, 粒子表面圓滑,可制備多種粒徑粉末，適用于 Fe基非晶合金涂層的制備、偶氮染料印染廢水降解等多個領域（見圖 1）；（2）采用高速轉輪法制備非晶薄帶，再通過機械粉碎將其制備成非晶粉末，但此種方法制備的粉末表面形狀不規則，多使用于偶氮染料印染廢水降解、非晶磁粉芯制備等領域；（3）運用化學合成方法制備非晶粉末，此種方法制備的非晶粉末多為納米級超微粉，不需要合金熔煉和冷卻設備，能耗較低，在非晶磁粉芯制備等領域具有一定的應用。
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