做顶天立地的新一代材料非晶合金

　　原创 非晶合金 松山湖材料实验室
　　新材料的出现推动经济的发展、科技的进步及产业的升级，新型材料的问世标志着人类的进步，不仅可为广大学者带来极大的研究价值，而且在某些特定的方面可以取代传统的材料，推动新型工业产业的升级，为未来市场带来广阔的前景。
　　非晶合金（又称为＂金属玻璃＂）材料是一类新型多组元合金，兼具金属的特性和液体的流动性，集高强度、高硬度、耐腐蚀、超塑性、软磁性等优异的性能于一体的材料，是具有颠覆性的新一代绿色环保高性能金属材料。 因此，非晶合金材料在新能源、高端制造业、空天领域关键构件等高新技术领域有重要的战略应用价值。非晶合金材料的开发和应用也改变着人们的日常生活，已经在体育用品和医疗器械中得到应用。然而金无足赤，人无完人。非晶合金严重的室温脆性、有限的合金体系及较差的非晶形成能力等问题严重限制了其作为结构材料的应用。
　　松山湖材料实验室非晶合金研发与关键应用探索团队成立于2018年4月，由中国科学院院士汪卫华领衔。团队成立两年多，目前已初步形成了一支20多人的科研队伍。团队立足于非晶合金基础研究和应用产业化探索两大研究方向，搭建了非晶合金基础和产业化研究的平台，致力于新一代非晶合金材料的设计、制备，获得更多高性能非晶合金材料，同时解决非晶合金材料在应用上存在的瓶颈问题，开发新型的非晶合金产品器件并探索其在高端制造业、消费电子、航空航天等关键领域的应用。
　　研究成果荣获＂中国科学十大进展＂
　　2020年2月27日，科学技术部高技术研究发展中心发布了2019年度中国科学十大进展，本团队实验室全职博士后李明星、双聘研究员柳延辉的研究成果＂基于材料基因工程研制出高温块体金属玻璃＂首次入选国家级十大科学进展。
　　材料基因工程是近年来以加速材料研究和材料探索为主要目标的新理念，可大幅提高新材料研发的效率。本团队以材料基因工程的思路，采用多靶磁控溅射共沉积技术制备出同时含有上千种合金成分的组合样品，通过高通量结构表征初步确定了非晶合金形成成分范围，并利用非晶合金的电阻率和非晶形成能力的关联，进一步提出了用以判断非晶形成能力的高通量电阻测量方法，获得具有优异综合性能的Ir-Ni-Ta-(B)高温块体非晶合金，其在高温力学性能、热稳定性、加工成型性能、耐蚀性、抗氧化等方面表现出前所未有的综合优势，相关研究结果已发表在国际知名期刊Nature上。
　　利用材料基因组理念和高通量技术进行非晶合金研制
　　和以往的高通量实验方法相比，该方法不需要对组合样品进行任何预处理或后续处理，测试周期短，所用的测量和表征手段不会对组合样品造成损伤，在同一成分点可对多个物理参量进行测量。本团队提出的新方法具有高效性、无损性、易推广等特点，颠覆了非晶合金领域60年来＂炒菜式＂的材料研发模式。
　　荣获国家自然科学二等奖
　　近些年来，非晶材料的研究一直是金属材料科学和技术研究的前沿。Science杂志曾多次把非晶态材料科学问题列为当今材料科学和凝聚态物理中最具有挑战性的前沿基础科学难题。
　　在国家杰出青年基金、自然科学基金和973计划等项目支持下，经过长时间的深入研究，发现了非晶合金的一个重要动力学弛豫模式，并验证了存在的普适性，提出了该弛豫的微观结构起源和机理，进而建立了该动力学弛豫模式与非晶合金动力学行为的关联。在此基础上，发展了从动力学调控非晶合金宏观性能的有效实验手段和方法，并研制出一系列具有室温大塑性、室温附近拉伸塑性的非晶合金材料，且首次实现了非晶合金的室温均匀塑性变形。这些成果不仅有助于实现非晶合金材料宏观力学性能的调控和设计，而且有助于理解非晶材料形变机制等材料基础科学问题，为发展高性能非晶合金材料提供了理论依据和新思路，有助于促进非晶合金的工程化应用。基于此系列成果＂动力学新模式的发现及在塑性非晶合金材料研发中的应用＂荣获2019年国家自然科学二等奖。
　　高性能材料＂上九天揽月＂，引领未知探索
　　太空探索对＂理解宇宙演化、揭示生命起源、保护地球安全、开拓探索疆域、开发太空资源、推动科技进步＂具有十分重要的意义。21世纪以来，国际航天进入到＂大航天时代＂的历史机遇期，太空探索已经成为当前人类社会面临的全球共同挑战，重返月球、载人火星等极具挑战性的探索任务已经逐步实施，并迅速催生了地月经济圈、小行星采矿、月球开发及太空制造等新兴领域。在新时代的新要求下，航天科技如何与新兴前沿科技紧密结合、相互促进？中国航天如何以创新驱动实现新时代航天高质量发展？这是建设航天强国过程中亟待回答的重要问题。
　　为了进一步加速我国深空事业的发展和新太空材料的研究，2019年12月17日，由松山湖材料实验室与钱学森实验室联合举办的＂第二次太空探索实验科学委员会会议暨新时代航天发展研讨会（粤港澳大湾区科技创新论坛）＂在东莞市松山湖材料实验室粤港澳交叉科学中心顺利召开，并揭牌成立＂太空材料科学与应用研究中心＂。会议由太空探索实验科学委员会主席包为民院士、松山湖材料实验室主任汪卫华院士及钱学森空间技术实验室主任陈泓研究员共同主持，科学委员会共同主席李惕碚院士、戚发轫院士、杨孟飞院士、赵玉芬院士、 郑平院士、郑晓静院士、邹志刚院士等20多位院士专家出席了此次会议与揭牌仪式。这次研讨会就太空3D打印、深空探测、航天空间技术等问题进行了深入交流与讨论，各位院士专家对未来几年内深空事业的高质量发展提出了极具建设性的建议与可行方案，为实验室在未来积极参与国家深空事业提供了极佳的机遇。此次会议和研究中心的成立为材料科学与相关交叉学科的发展和创新性学术思想的诞生提供了广阔平台，逐步成为具有国际影响力的前沿科学交流新窗口。
　　太空中有极端的紫外线辐射、超高度真空、剧烈温度变化和其它污染,对某些材料有严重的降质作用，而找到具有高完整性、高均匀性、高纯度、大尺寸的太空材料也就成为了我们要解决的首要问题。非晶合金因其具有高强度、大弹性、抗磨擦、耐腐蚀和抗辐照等优异的性能，同时在极低温下具有良好的力学性能，能满足太空极端环境中苛刻的服役要求。由于非晶合金兼具液体、塑料和金属的特性，使它成为太空3D打印的理想材料模型体系。后续团队将主要从非晶合金原材料研究和3D打印工艺两方面实现非晶合金的太空3D打印研究。
　　以＂太空材料科学与应用研究中心＂成立为契机，为了进一步提高东莞市的科学文化氛围，培育科技创新的未来之星，松山湖材料实验室的科研人员为全市众多师生带来了一场关于＂太空探索实验＂材料合成与在轨制造方向的主题科普活动，大大激发了学生们的科研热情，同时也为＂太空探索实验＂青少年教育项目征集活动提供了灵感。目前项目征集活动已经吸引了超过一百名中小学生参与，最终东莞市6个项目入围2020年全国＂太空探索实验＂青少年教育项目，居各地区之首。我们将竭尽全力陪伴青少年一路前行，怀揣上下求索之心去探究宇宙太空的无限的可能性。
　　为了进一步解决非晶合金产学研脱节的突出问题，2020年5月12日下午，＂非晶产学研联合实验室＂筹建研讨会在松山湖材料实验室召开，会议由实验室主任汪卫华院士主持。广东工业大学副校长王成勇、东莞宜安科技股份有限公司董事长李杨德、非晶材料团队负责人柯海波研究员、绿色非晶团队负责人孙保安研究员，深圳大学马将研究员等出席并参加会议讨论。
　　联合实验室致力于打造一个具有显著影响力的非晶合金材料产业链，研发具有不可替代性的标志产品走向国际，同时力争在非晶材料领域实现新理论新技术新方法的突破。通过企业、高校和科研院所产学研深度融合，在粤港澳大湾区建立非晶材料科学有效的产学研深度融合机构与机制，对完善新材料学科体系，推动技术创新支撑产业升级，建设制造强国具有重要战略意义。
　　非晶合金压铸一次成型技术，打破国外柔性齿轮垄断
　　21世纪以来，在工业机器人领域，谐波减速器始终是一个热点。谐波减速器占据机器人约3成的成本，在所有核心零部件中成本占比最高。长期以来，机器人用精密减速器技术一直由美国、德国、日本、捷克等国家掌控，其中世界75%的精密减速器市场被日本的哈默纳科（Hamonic）占领。
　　各类零件在机器人成本中占比
　　国内谐波传动产业的主要问题是精度保持能力差，承载能力差、噪声大，生产设备落后，产品种类少，企业规模偏小、研发人员和投入都不足。制约减速器乃至中国制造业的一个老生常谈的问题就是材料，这个不是一朝一夕可以解决的问题，这是需要长期的技术积累，需要大量研发投入。
　　谐波齿轮减速器由固定的内齿刚轮、柔轮和使柔轮发生径向变形的波发生器组成，利用柔性齿轮产生可控制的弹性变形波，引起刚轮与柔轮的齿间相对错齿来传递动力和运动，突破了机械传动采用刚性构件机构的模式。谐波齿轮减速器具有高精度、高承载力等多项优点，和普通减速器相比，由于使用的材料要少50%，其体积及重量至少减少1/3。
　　谐波减速器
　　预计到2020年中国每年需要消耗190000台机器人，实现机器人国产市场份额达50%（95000台），2025年实现机器人国产市场份额超70%。在未来五年，这将为中国制造商提供超过740亿美元的机器人及相关服务潜在市场。随着我国工业机器人应用市场的快速发展，工业机器人用减速器市场需求规模也随之增长。一般情况下，一台工业机器人需要的减速器个数为4-6台。随着未来工业机器人的发展，中投顾问产业研究中心预测到2020年我国工业机器人减速器市场规模将超过40亿元，未来五年复合增长率约为30%。
　　面对这样一个极富增长力的市场，谐波齿轮的性能，特别是柔性齿轮的疲劳断裂，限制了国产谐波减速器的进一步发展。目前国际上该产品主要由日本的哈默纳科（Hamonic）公司垄断，具有绝对的市场定价权。谐波减速器由于尺寸精度高，且要求原材料为高熔点金属，目前主要依赖精密数控机床来完成加工，效率低。并且该加工方法对材料的利用率极低，在加工过程中约有94%材料浪费，不但提高了成本，还造成了材料的大量浪费。因此，选取性能优异的新材料，开发新型的制备技术从而提高生产效率是目前谐波减速器行业亟需解决的问题。
　　非晶合金具有接近理论极限的高强度（最高可达6GPa）、低弹性模量，以及近2%的弹性变形极限（高出常规合金材料一个数量级）、优异的耐磨性能和抗疲劳特性，是制备柔性机构最理想的原材料。柔性机构是指通过其部分或全部具有柔性的构件变形而产生位移，是传动力的机械结构，强度/模量（σ/E）比值越高，则越适合做成柔性机构。如表所示，非晶合金相较于30CrMnSiA具有更加优异的柔性性能，是理想的谐波齿轮减速器原材料。
　　目前，柔性齿轮主要还是要靠机加工，然而机加工成本居高不下，团队经多方调研后，采用压铸成型法来生产柔性齿轮。压铸是一种利用高压强制将金属熔液压入形状复杂的金属模内的一种精密铸造法。经由压铸而铸成的压铸件之尺寸公差甚小，表面精度甚高，在大多数的情况下，压铸件不需再车削加工即可装配应用，有螺纹的零件亦可直接铸出。
　　凭借非晶合金优异的力学性能以及压铸一次成型技术，团队努力打破西方国家对谐波减速器的垄断。团队已开发出一系列临界尺寸在7-10mm的非晶合金成分，可成为高性能柔性齿轮的新型备选材料。
　　材料作为二十一世纪的三大支柱产业之一，我们利用力学性能更加优异的非晶合金，来打破发达国家对谐波减速器的垄断，降低谐波齿轮价格，从而推动工业机器人的进一步普及。得益于团队深耕非晶合金材料多年以及与东莞当地企业联合设计搭建适合实验室的卧式真空压铸机，团队正加紧生产性能优异的柔性齿轮，推动国家在这个细分领域的科技进步。
　　精诚团结，＂产＂业联盟化
　　在科技成果产业化方面，松山湖材料实验室为培育出有发展潜力的新材料高科技企业，正在探索＂创新样板工厂＂新模式；并通过将实验室的成果在样板工厂内小、中试孵化的技术与社会资本相结合的方法，以带动粤港澳材料相关产业的聚集。目前与相关企业已初步达成了共建产业园区的意向，后续实验室会有更多的科研成果走向应用、走向市场，来实现实验室对科技型企业的技术供给。
　　目前，松山湖材料实验室不仅与深圳大学、广东工业大学、东莞理工学院等高校携手立足于非晶合金的应用基础研究，而且与国内领先的新材料企业东莞宜安科技股份有限公司、东莞台一盈拓科技股份有限公司和东莞本润机器人科技股份有限公司等科技公司达成相关产业化合作。同时，宜安科技希望与松山湖材料实验室一起解决目前在非晶块体产业领域遇到的困难以及产业化工程背后的科学问题，进而打造以东莞为中心的非晶材料产业群。
　　松山湖实验室希望能与更多杰出企业密切协作，团结交流，建设一个国家乃至国际一流的学科科研平台，促进我国粤港澳大湾区的经济社会发展。