2022年液態(tài)金屬發(fā)展現(xiàn)狀分析：技術(shù)應(yīng)用不斷趕超 我國(guó)引領(lǐng)國(guó)際在即

年液態(tài)金屬發(fā)展現(xiàn)狀分析：技術(shù)應(yīng)用不斷趕超我國(guó)引領(lǐng)國(guó)際在即一、液態(tài)金屬特性

液態(tài)金屬又稱非晶合金，是一種常溫下可呈液態(tài)具有非晶態(tài)原子結(jié)構(gòu)的金屬合金。由于金屬在超急冷凝固時(shí)，原子來不及有序排列結(jié)晶，組成它物質(zhì)原子不呈空間有規(guī)章周期性，沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在，而在室溫或低溫下保留液態(tài)原子無序排列的分散狀態(tài)。

這種非晶態(tài)原子結(jié)構(gòu)使液態(tài)金屬具備了很多獨(dú)特的性能，因其原子排列為長(zhǎng)程無序而短程有序結(jié)構(gòu)狀態(tài)的固體金屬或合金，微觀結(jié)構(gòu)與玻璃非常相像，又稱金屬玻璃。

二、液態(tài)金屬優(yōu)勢(shì)

液態(tài)金屬的眾多優(yōu)勢(shì)使之被認(rèn)為是繼銅、鐵和鋼，以及塑料之后的第三次材料革命，或?qū)⒊蔀閷磔p合金材料的顛覆者。相比傳統(tǒng)金屬合金，其優(yōu)勢(shì)主要可體現(xiàn)在性能、工藝、成本等三個(gè)方面：

1、性能優(yōu)勢(shì)

在性能上，液態(tài)金屬同時(shí)兼?zhèn)洳ＡШ徒饘佟⒐腆w和液體優(yōu)良特性。在擁有高硬度、高強(qiáng)度、耐高溫等性能的同時(shí)，還具備非金屬材料（塑料、玻璃等）的優(yōu)越性，如彈性、柔韌性、耐腐蝕性等等。

由于不存在錯(cuò)位、層錯(cuò)、晶界等缺陷，非晶合金表現(xiàn)出特別的力學(xué)特性，其抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性形變等均優(yōu)于常用材料，其強(qiáng)度可超過常規(guī)鋁鎂合金的5倍、7系鋁的5倍、不銹鋼的3倍、鈦合金的2倍。

在輕合金中，液態(tài)金屬的比強(qiáng)度（單位密度的強(qiáng)度）也是最高的，是目前最硬的輕合金，此外，液態(tài)金屬在散熱性、電磁屏蔽性等方面也表現(xiàn)出眾。

數(shù)據(jù)來源：作者數(shù)據(jù)中心整理

2、生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)

液態(tài)金屬可通過模具生產(chǎn)，一套模具支持3-4萬件產(chǎn)品，由于液態(tài)金屬以非晶態(tài)冷卻，收縮率特別小，可以通過注塑、壓鑄等工藝得到抱負(fù)的外形，用液態(tài)金屬做的零件尺寸精度特別高，可達(dá)±0.03mm。

與粉末冶金相比，液態(tài)金屬橫向縱向收縮率達(dá)到千分之2.5-3.5，而粉末冶金收縮率為22%-24%，更適用于批量制備高精度要求精密金屬結(jié)構(gòu)，也可以用噴涂、激光熔覆、堆焊等工藝制備表面涂層。

3、成本優(yōu)勢(shì)

由于液態(tài)金屬可以實(shí)現(xiàn)固相和液相之間的敏捷轉(zhuǎn)換，具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性極限、良好的軟磁或硬磁特性，以及耐摩擦磨損和耐腐蝕等優(yōu)良的物理化學(xué)性能，且其冷卻凝固收縮很小，具有良好的近終形鑄造成形力量，一次成型精度高，省去了大量的CNC（數(shù)控加工）工序，具有很高的性價(jià)比。

且由于良好的材料性能，相比于傳統(tǒng)材料，同樣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所需液態(tài)金屬材料消耗更少，通過規(guī)模化生產(chǎn)成本優(yōu)勢(shì)凸顯。

此外，液態(tài)金屬在生產(chǎn)過程中的原料、產(chǎn)品等無毒副作用，對(duì)環(huán)境影響小，在環(huán)保政策更加嚴(yán)苛的市場(chǎng)環(huán)境中，擁有更多的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。

三、液態(tài)金屬制造工藝

受限于目前液態(tài)金屬的制造工藝，若尺寸較大則內(nèi)部難以實(shí)現(xiàn)非晶化，因此液態(tài)金屬的制造存在的尺寸限制，因此制造工藝最難的是塊體液態(tài)金屬。

由于液態(tài)金屬是非晶合金，擁有亞穩(wěn)態(tài)特性，難采納常規(guī)的鍛壓或焊接工藝進(jìn)行零件加工。加工過程中，液體形態(tài)的液態(tài)金屬必需以極快的冷卻速率將其液態(tài)結(jié)構(gòu)凍結(jié)成固態(tài)，過程中也沒有結(jié)晶潛熱的釋放，為非晶合金的充型力量和流淌性帶來問題，可能造成各種缺陷，如冷隔、澆不足、夾雜、氣孔、夾砂、粘砂等。

為解決這些問題，目前常見的塊狀液態(tài)金屬加工過工藝手段有：超塑性成型、真空壓鑄（注射）成型、真空吸鑄成型、水淬法、銅模吸附法、定向凝固法等工藝。正確地設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)使液態(tài)金屬平穩(wěn)而又合理地布滿型腔，對(duì)保證鑄件質(zhì)量起著很重要的作用。

塊體液態(tài)金屬（塊體非晶合金）工藝差異

技術(shù)手段工作原理實(shí)例優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)超塑性成型模鍛、熱擠壓、熱壓印適用于微納尺度制造，如：微齒輪、微鑷子、微手術(shù)刀低成本快速?gòu)?fù)制氧化與晶化，對(duì)工藝蠶食敏感真空吸鑄成型將鑄模置于負(fù)壓密閉容器內(nèi)，金屬液吸入型腔，凝固后去除負(fù)壓適用于生產(chǎn)薄而精細(xì)的小型精密鑄件提高了合金的充型力量，最小壁厚達(dá)0.2mm，削減氣孔、夾渣等缺陷不適用于外形簡(jiǎn)單的鑄件鑄造水淬法將合金置于石英管中，熔化后連同石英管一起淬入流淌水中，以實(shí)現(xiàn)快速冷卻，形成大塊非晶合金適用于小型塊狀合金制造操作簡(jiǎn)潔，工藝簡(jiǎn)單掌握設(shè)備昂貴，簡(jiǎn)單消失氣孔，石英管易裂開銅模吸鑄法母合金溶化后，將溶體從坩堝中吸鑄到水冷鋼膜中，形成肯定外形和尺寸的大塊材料適用于尺寸小的樣品鋼膜冷卻速率快，制備效率高易消失表面收縮，表面不夠光滑定向凝固法掌握定向凝固速率和固/液邊界前沿液相溫度梯度適用于截面積不大但比較長(zhǎng)的樣品有效解決長(zhǎng)條形非晶合金流淌性不足問題要求非晶材料成型力量高資料來源：作者數(shù)據(jù)中心整理

目前，大多數(shù)種類的非晶合金最大臨界尺寸均在10mm以內(nèi)，2022年東南高校的沈?qū)汖埖热送ㄟ^電弧熔融負(fù)壓直接冷卻得到最大直徑16.52mm的非金合金錠，但與一般合金相比仍有較大差距，肯定程度上限制了非晶材料的應(yīng)用。

隨著技術(shù)進(jìn)步，塊狀非晶合金有望突破結(jié)構(gòu)件尺寸限制，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬大型超強(qiáng)結(jié)構(gòu)件的規(guī)?；a(chǎn)。

四、液態(tài)金屬進(jìn)展現(xiàn)狀

1、全球進(jìn)展歷史

依據(jù)作者發(fā)布的《中國(guó)液態(tài)金屬行業(yè)進(jìn)展趨勢(shì)分析與將來前景猜測(cè)報(bào)告（2022-2029年）》顯示，液態(tài)金屬的發(fā)覺始于1938年德國(guó)科學(xué)家Kramen等人通過通過蒸發(fā)沉積在玻璃基地上生產(chǎn)的非晶態(tài)金屬薄膜。此后，液態(tài)金屬優(yōu)良的應(yīng)用特性不斷被發(fā)覺，為之開展的討論也越來越多，各類品種、技術(shù)和產(chǎn)品特性也在不斷被研發(fā)突破，在商用領(lǐng)域大展拳腳。

液態(tài)金屬早期進(jìn)展歷史

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2、我國(guó)進(jìn)展現(xiàn)狀

雖然起步較晚，但多年來我國(guó)對(duì)液態(tài)金屬的研發(fā)持續(xù)發(fā)力追逐，目前其研發(fā)成果在目前已經(jīng)領(lǐng)先全球，制造了巨大的應(yīng)用價(jià)值。1976年，我國(guó)在“九五”期間組建了“國(guó)家非晶微晶合金工程技術(shù)討論中心”，2022年液態(tài)金屬列入國(guó)家《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)名目》，次年又納入國(guó)家《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類》，極大的推動(dòng)了液態(tài)金屬的討論。2022年，我國(guó)液態(tài)金屬相關(guān)專利快速增長(zhǎng)至1219項(xiàng)，其應(yīng)用范圍也越來越廣。

中國(guó)液態(tài)金屬進(jìn)展重大事跡

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國(guó)內(nèi)目前基本實(shí)現(xiàn)非晶合金產(chǎn)業(yè)全掩蓋，主要參加者包括安泰科技、云路股份、中研非晶、兆晶科技、江蘇國(guó)能、河南中岳等，海外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手主要為日本的日立金屬和德國(guó)VAC。我國(guó)液態(tài)金屬的研發(fā)進(jìn)入穩(wěn)定進(jìn)展期，相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量有所放緩。

數(shù)據(jù)來源：作者數(shù)據(jù)中心整理

五、液態(tài)金屬應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，液態(tài)金屬液態(tài)金屬可廣泛運(yùn)用于航空航天、軍工國(guó)防、生物醫(yī)療、消費(fèi)電子等領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍仍在不斷開拓中。在政策和市場(chǎng)的多重利好下，產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)良好的進(jìn)展面貌和不行估量的進(jìn)展?jié)摿Α?/p>

2022年液態(tài)金屬主要應(yīng)用范圍

應(yīng)用領(lǐng)域主要應(yīng)用產(chǎn)品航天軍工太陽風(fēng)收集器、空間站防護(hù)板、衛(wèi)星的綻開機(jī)構(gòu)、衛(wèi)星反射鏡、坦克潛望鏡、穿甲彈等電力電子變壓器、電感器、傳感器、磁屏蔽材料、無線電頻率識(shí)別器等器件的鐵芯材料等消費(fèi)電子手機(jī)卡托、手環(huán)表殼、手機(jī)中框、卡鎖塊、USB接口、光學(xué)鏡頭支架等醫(yī)療領(lǐng)域固定骨折的夾板和釘、微創(chuàng)醫(yī)療器械金屬材料等體育用品高爾夫球頭、推桿面、漁具卷線器殼體及齒輪等資料來源：作者數(shù)據(jù)中心整理

目前最為常見的液態(tài)金屬應(yīng)用品種主要包含鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金，其中應(yīng)用最廣泛的主要為鐵基非晶和鐵基納米非晶合金。

鐵基非晶合金主要應(yīng)用于工頻（中低頻）環(huán)境的配電變壓器、電機(jī)材料，下游包括電力配送、軌道交通變壓器等相對(duì)傳統(tǒng)的電力行業(yè)領(lǐng)域。

納米晶合金在液態(tài)金屬中擁有最為優(yōu)越的綜合性能，具有更高的磁導(dǎo)率和更低的損耗，傳輸效率更高，體積更小。主要應(yīng)用于中、高頻環(huán)境的電子磁性元器件，下游包括消費(fèi)電子、新能源汽車、變頻家電、粒子加速器等領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)納米晶合金的參加者眾多，頭部企業(yè)已建立領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

而鋯基、鎵基等新型非晶合金的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷探究突破中，清華高校、中科院等頂尖院校的研發(fā)隊(duì)伍協(xié)作企業(yè)成熟的工藝體系，信任屬于液態(tài)金屬的革新，我國(guó)引導(dǎo)在全球在即。

液態(tài)金屬主要品類及其應(yīng)用范圍

主要種類應(yīng)用范圍及性能可代替金屬/合金鐵基廣泛應(yīng)用于節(jié)能配電變壓器鐵鐵鎳基應(yīng)用于漏電開關(guān)、磁屏蔽等，能量損耗和機(jī)械強(qiáng)度方面非常優(yōu)越鎳坡莫合金鈷基非晶合金應(yīng)用于要求嚴(yán)格的軍工電源中的變壓器、電感等，具有最高的磁導(dǎo)率，且具有優(yōu)異的耐磨性和耐蝕性坡莫合金