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)。可是，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，美國加州理工學院的Duwez教授的學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，中國臺灣清華大學的葉均蔚教授、英國劍橋大學的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，其獨特的科學現(xiàn)象和卓越性能逐漸吸引了廣泛的學術(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性質(zhì)[11−13]。高熵合金長程化學無序的基體中也存在著短程序以及更大尺度的局域化學有序結(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。總的來說，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家和工程師也相對較少。隨著這些材料獨特性能或科學意義的逐漸被發(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、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、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，起始于科學家們對科學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