《先进材料制备技术》课程调研报告

调研题目： 非晶态合金

班 级：

组 别：

小组成员：

完成时间：

调研报告要求

1. 围绕非晶态合金、智能材料与形状记忆合金、贮氢合金、超导材料、热电材料、

磁性材料、医用材料和仿生材料的特点、应用及制备技术等八个主题（每班按照

学号分成八组，按照上述顺序选题），阅读不少于5 篇的国内外参考文献，总结

相关内容撰写调研报告。

2. 报告要求利用word 编辑，由封面、目录、正文、参考文献组成。全文字体

采用宋体，标题四号字体，正文小四字体，固定值22 磅行间距，字数不少于

2000 字，A4 纸打印。

3. 在报告最后一页附上参考文献目录（必须有英文文献）。

4. 在第9 周周三提交打印纸质版上交。

5. 打印时此页打印在封面页反面。

目录

一、 非晶态合金 .......................................................1

二、 非晶合金的应用领域 ................................................1

三、我国非晶合金的发展现状 .............................................2

四、非晶态合金材料的定义、制备方法及种类 .................................2

五、具有优良力学性能的非晶态合金材料及其应用 ........................... 3

六、具有优良化学性能的非晶态合金材料及其应用 ........................... 4

七、具有优良磁性能的非晶态合金材料及其应用 ...............................4

八、具有优良光学性能的非晶态合金材料及其应用 ........................... 5

九、总结 ...............................................................6

正 文

一、 非晶态合金

非晶合金听起来似乎感觉有些陌生，但是它的另外两个常见名字——金属玻

璃和液态金属也许你有所耳闻。

非晶合金目前主要以块体非晶、非晶粉末、非晶薄带三种形式呈现，相应的

其制备方法目前也分为铜模铸造法、机械合金法、单辊旋粹甩带法。非晶合金具

有较强的局部耐腐蚀性、力学上极高的断裂强度和硬度，同时它也具有优良的弹

性。传统非晶合金的室温下拉伸塑性变形能力的缺乏使之在结构材料上的应用受

阻。随着科工作的进一步深入，目前非晶合金复合材料的拉伸塑性已达7%，这为

非晶合金在工程材料上的应用提供了新的可能性。

非晶合金凭借其具有的独特的无序原子结构、良好的物理以及化学等性能，在多

个科研领域引起科学家的关注。其多组元的特点提供了广阔的应用场景，但与此

同时带来的成分复杂问题也影响着高性能新材料的设计与开发。近年来，各国对

非晶合金材料的研究力度持续加大，在航空航天、电子设备、工业军备等方面的

应用已崭露头角。

二、 非晶合金的应用领域

非晶合金的应用领域广泛，让我们来看看它都在什么地方大显身手：

1、新能源汽车：最近火热讨论的话题中，新能源汽车能算其一。在新能源汽车

尤其是电动汽车的传感器、滤波器、高频变压器、高性能电磁屏蔽材料和吸波材

料以及电机等方面的应用中，非晶合金制作的软磁材料使用广泛，具有小电流启

动大扭矩、高速扭矩不衰减和高速节能等优势。

2、地热：非晶合金带材在地热系统中成为新的宠儿。非晶带材的无序结构使其

具有比同成分的结晶固体更高的电阻，其表面积较大，传热高效，干湿环境通用，

且清洁可回收，不含有害的电磁辐射，具有较高的安全性和耐用性。

3、生物医学：块体非晶合金在生物医用领域的应用广泛，从整形外科、心血管

到牙齿植入物和填充物。比如在生物医用设备、生物医用植入物的使用上，具有

良好机械性又耐腐蚀的非晶合金体是最佳选择；而在骨折修复材料、吸收性缝线、

骨骼填充物等方面，更适合选择随着病痛治愈而被逐渐降解吸收的非晶合金体。

4、耐磨涂层：非晶合金涂层具有较强的耐腐蚀性、耐气蚀性、抗磨损性、抗热

冲击性、摩擦系数小等优点，可加工性强、工程应用简单。如钻具耐磨带、注水

泵往复泵柱塞、高压球阀、CFB水冷壁防护、水电站转轮室等处使用非晶合金材

料涂层，大大提升了使用寿命，保护内部材料的性能。

5、军工航天：与传统材料相比，非晶合金钢具有更低成本、更高强度。得益于

非晶合金材料高速载荷下所具有的高动态断裂韧性，在军事兵器尤其是穿甲弹的

研制上，非晶合金钢是穿甲弹芯的首选材料之一。与此同时，非晶合金钢也作为

穿甲防护材料，用于军用装甲、防弹衣以及卫星的陨石防护罩的制作。

三、我国非晶合金的发展现状

我国作为非晶合金产业化应用的大国之一，多年来也始终走在科研应用的一

线。

据悉，此前由吕昭平教授带领的科研团队完成了块体非晶合金的结构与强韧

化研究，为发展高性能非晶合金材料提供了理论依据。最近，团队又在吕昭平带

领下揭示了非晶合金发生玻璃转变的结构起源和高压下非晶合金发生多形性相

变的电子结构起源。

根据《非晶中国大数据库》资料显示，2018 年国内非晶态合金及相关专利达

409 件，实用新型专利展约占15.89%，发明专利约战84% ，其中非晶材料软磁性

能的应用为238 件，占58.2%。块体非晶应用和非晶合金涂层专利增长，此外在

催化净化、制冷加热、燃料电池等新应用领域也可见非晶合金材料的应用。

我国目前在非晶产业的发展上正呈现出迅猛的态势，企业是贡献科研成果的中流

砥柱，科研单位也在逐渐发力。但是美中不足的是，突破性进展专利还不够，“纸

上专利”现象仍然存在，我国非晶企业需要更加重视并且关注非晶合金产业的变

化发展，同时在知识产权保护、科研成果转化等方面有所投入。

四、非晶态合金材料的定义、制备方法及种类

非晶态金属材料，其内部结构是在一定程度上各向同性的，就像液体的一样，

就像玻璃一样；非晶态金属材料没有固定的熔点，只是在某一温度范围内发生软

化，然后逐渐熔化为液体。

怎样才能获得非晶态金属材料呢？大家知道金属在气态和液态时是没有晶

体的存在的，原子是混乱排列的，材料是各向同性的，于是人们自然地想到3 种

方法：一是用电镀的方法或者气相沉积的方法，可以获得非晶态金属材料的薄层，

也可以获得非晶态金属的粉末；二是将金属盐溶液还原，获得的金属是没有晶体

结构的；三是将金属在液态时通过激冷的方法，可以获得块状的非晶态金属材料

什么类型的金属配置成合金，再做成具有优良性质的非晶态金属材料，有没

有一般规律？经过原子层面的分析，一般认为有三类：

“金属-类金属”型非晶态金属合金：这里的“金属”是指在化学元素周期表

中的“过渡型金属元素”，例如锰、铁、钴、镍、铜、锌等；这里的“类金属”是

指介于金属和非金属元素之间的元素，例如硼、硅、锗、砷等。

“金属-稀土”型非晶态金属合金：其中稀土中含有化学元素周期表中镧系

元素——镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、

钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu），

以及与镧系的15 个元素密切相关的两个元素——钪（Sc）和钇（Y）共17 种元

素。。

“金属-金属”型非晶态金属合金：是用质量轻的过渡金属和质量重的过渡

金属构成合金。

五、具有优良力学性能的非晶态合金材料及其应用

对于一般金属，如果其强度高硬度大则会较脆，然而非晶态金属材料不仅强

度高硬度大而且韧性很好。

例如钯基合金 ：Pd（钯77.5%）-Cu（铜6% ）-Si（硅16.5%），就是特硬、高

强、高韧、高弹、高延展的非晶态金属材料。

例如锆基合金可以做出穿甲弹的材料。

例如铝-锌-锰-铜非晶态合金具有高强度、高韧性、耐腐蚀的特性，常用于航

天器的受力部件材料。

非晶态金属材料为再加工变形提供了极大的方便。因为它变软时的可塑性好，

于是碾压、冲压、拉丝都是方便的；因为它熔化温度都不是很高，于是为铸造提

供了方便，压铸、吸铸、灌铸都行；流动性好的材料加工出来的产品表面都非常

光洁。

用轻、硬、弹的材料做高尔夫球杆和钓鱼竿；用高强、高韧的材料做刀具，

其拉丝可用于做水泥、轮胎、传送带、高压管道的增强纤维；把高耐磨材料用“电

沉积法”用于机床的导轨、气缸内壁、活塞环外壁；利用高强度和高传热的材料

在液态下一次成型手机壳，光洁实用；等等。

六、具有优良化学性能的非晶态合金材料及其应用

抗腐蚀性：由于没有晶粒及其缝隙，非晶态金属材料的耐腐蚀性是优良的，

在合金中添加Cr（铬）可以形成防腐蚀的保护膜，添加P（磷）可促进这种保护

膜的生成。

例如Fe（铁，72% ）-Cr（铬，8% ）-P（磷，13% ）-C（碳，7% ）的抗腐蚀性

比晶态金属材料要高几个数量级，也远优于不锈钢材料，有极强的抗氯离子的腐

蚀能力，是海洋、化工等一些易腐蚀环境中的首选材料，用这类材料做航母的壳

体材料极佳。又例如电池的电极，海底电缆就必需使用抗腐蚀材料，牙齿保护材

料、医疗材料都需要抗腐蚀性能好。

催化电极材料：非晶态金属可以做出性能优异的催化电极材料。例如合金Pd

（钯，41% ）-Ir（铱，40% ）-P（磷，19% ）能促进氯离子分离，是制造纯碱的性

质优异的电极催化材料。

氢催化材料：非晶态金属可以制成催化加氢、催化脱氢的电极材料；在石油

工业中，加氢会使分子链缩短，以便制取轻质油；脱氢会使分子链增长，以便制

取大分子材料。

储氢材料：非晶态金属可以制成催化储氢的电极材料，它在化学反应中吸收

氢，以便形成氢气释放出来。

氧催化材料：非晶态金属可以制成催化加氧、催化脱氧的电极材料

七、具有优良磁性能的非晶态合金材料及其应用

硬磁材料：是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称

为永磁材料或恒磁材料。目前磁性最强的汝铁硼永磁材料就是一种非晶态金属材

料，可以用粉末压块烧结，可以用粉末压块粘结。

软磁材料：是易于磁化，也易于退磁的材料，例如传统电机和变压器中使用

的“硅钢片”、“铁氧体”，它广泛用于电工设备和电子设备中。现在这些软磁材

料大都换为非晶态的软磁金属材料了。

在传统的软磁材料中存在有晶体，所以磁性也各项异性。非晶态金属材料内

部没有晶体，用其做软磁材料就不会存在磁各向异性，磁性会更软。

目前比较成熟的非晶态软磁合金主要是铁基，铁镍基和钴基合金这三大类。

它们已经普遍地替代了传统的电机、变压器中所使用的硅钢片；Ni-Zn 铁氧体的

性能要比传统铁氧体的高出好多倍。

用非晶态金属软磁材料做“磁头”，既耐磨、使用寿命长，又导磁效率高。

用非晶态金属软磁材料，很容易做成磁屏蔽材料、漏电保护器材料。

八、具有优良光学性能的非晶态合金材料及其应用

有些非晶态金属，其原子特殊电子状态有利于吸收太阳能并激发出电子，这

就是做成太阳能电池的好材料。

单晶硅把太阳能转换为电能的效率比较高，但是单晶硅的技术要求高，成本

也太高；非晶硅薄膜太阳能电池的成本很低，便于大规模生产，但是转换效率仍

比单晶硅的低一些，目前的最高转换效率为17.4%，尽管如此，还是受到人们的

欢迎和重视，而且人们一直在设法改进它。

有人用很细的激光束，在非晶硅薄膜上建立大小为2 个纳米“量子坑”并把

它们排成相距10 纳米列阵，人为地在非晶硅薄膜表面形成了有序状态，性能类

似于单晶硅薄层。

至于如何判断某个合金材料是否对太阳光有较好的吸光率，可以用光谱分析

方法，用不同频率的光线照射材料，分析材料对哪些光波的反射率低，就是对这

个频率的光波吸收率高。

为了研究不同非晶态合金的吸光效果，有人把非晶硅薄层放在高氢稀释的

“硅烷气体”中，形成氢化非晶硅薄膜；有人把非晶硅薄层放在高氢稀释的“硅

烷气体”和“硼烷气体”中，形成掺杂的氢化非晶硅薄膜；这些材料容易制作，

成本低，具有较高的光吸收系数；用玻璃做衬底，沉积上述非晶材料薄层，做成

太阳能屋顶和太阳能幕墙，会提高转换效率。其实，人们对非晶太阳能材料的研

究一直没有停止，非晶太阳能材料有很大的应用潜力和应用市场。

目前，中国已经把“铜铟镓硒薄膜电池”列入普及发展计划，它的转换效率

达到17.6%。太阳能薄膜电池有巨大的市场。

同样的，有些非晶态金属的特殊的电子状态有利于抗辐射，抵抗中子、伽马

射线的辐射，这在火箭、宇航、核反应堆领域有特殊的应用。

九、总结

非晶态金属材料的应用，目前实际用得最多的是关于“力学性能”、“化学性

能”和“软磁性能”方面的；在其“光学性能”和“半导体性能”方面的应用要

少一些。

本人认为，非晶态金属材料的优异性质主要是建立在2 个基础上的，一是非

晶态克服了有晶态所带来的缺点；二是在原子层面分析合金的结构，不同的结构

会产生不同的性质。以前，在利用金属材料时仅停留在晶态转变上，显示出来的

效果仍然是相对粗糙和宏观的；现在关于非晶态金属材料的利用是同时考虑原子

表现和宏观表现的层面，向精细研究深入了一步；自然地，纳米材料是更多地考

虑了材料在原子层面的性质，基本不考虑宏观结构，又向精细研究深入了一步。

非晶态金属材料的原料生产成本肯定是提高了，但是其器件的加工成本降低

了；如果考虑到其优异性能的运用所产生的效益，那么总体上考虑，它还是具有

高科技的优势。基于此，目前关于非晶态金属材料的应用特点是，具有高科技特

点，具有高附加值的应用，具有特色应用，具有再加工方便的应用，具有小尺度

器件的应用，具有精细器件方面的应用。

[1

序号 评分内容 得分 评语

1 主义核心

报告内容

体现社会

价值观

（80 分）

优秀（70-80分）内容紧扣主题，对新材料、新技术原

理、应用及发展情况总结全面，并能应用课程所学理论

知识分析调研内容。体现社会主义核心价值观思想及内

容。

良好（60-69分）内容契合主题，对新材料、新技术原

理、应用及发展情况总结较全面，并能应用课程所学理

论知识分析调研内容。体现社会主义核心价值观思想及

内容。

及格（50-59分）内容符合主题要求，对新材料、新技

术原理、应用及发展情况进行总结但不全面。体现社会

主义核心价值观思想及内容。

不及格（50 分以下）作业存在抄袭或雷同

2

报告格式良好（10-14分）报告语句较通顺，条理较清楚，格式

规范，语句符合写作规范，字数符合要求。

通顺 及格（6-9分）报告语句基本通顺，格式基本规范，字

（20 分） 数基本符合要求。

优秀（15-20分）报告语句通顺、精炼，条理清楚，格

式符合写作规范，字数符合要求。

不及格（5 分以下）报告语句和格式混乱，不符合写作

要求。

成员1 姓名

得分

成员2 姓名

得分

成员3 姓名

得分

成员4 姓名

得分

评阅教师 时间