原創 非晶合金 松山湖材料實驗室
新材料的出現推動經濟的發展、科技的進步及產業的升級，新型材料的問世標誌著人類的進步，不僅可為廣大學者帶來極大的研究價值，而且在某些特定的方面可以取代傳統的材料，推動新型工業產業的升級，為未來市場帶來廣闊的前景。
非晶合金（又稱為“金屬玻璃”）材料是一類新型多組元合金，兼具金屬的特性和液體的流動性，集高強度、高硬度、耐腐蝕、超塑性、軟磁性等優異的效能於一體的材料，是具有顛覆性的新一代綠色環保高效能金屬材料。因此，非晶合金材料在新能源、高階製造業、空天領域關鍵構件等高新技術領域有重要的戰略應用價值。非晶合金材料的開發和應用也改變著人們的日常生活，已經在體育用品和醫療器械中得到應用。然而金無足赤，人無完人。非晶合金嚴重的室溫脆性、有限的合金體系及較差的非晶形成能力等問題嚴重限制了其作為結構材料的應用。
松山湖材料實驗室非晶合金研發與關鍵應用探索團隊成立於2018年4月，由中國科學院院士汪衛華領銜。團隊成立兩年多，目前已初步形成了一支20多人的科研隊伍。團隊立足於非晶合金基礎研究和應用產業化探索兩大研究方向，搭建了非晶合金基礎和產業化研究的平臺，致力於新一代非晶合金材料的設計、製備，獲得更多高效能非晶合金材料，同時解決非晶合金材料在應用上存在的瓶頸問題，開發新型的非晶合金產品器件並探索其在高階製造業、消費電子、航空航天等關鍵領域的應用。
研究成果榮獲“中國科學十大進展”
2020年2月27日，科學技術部高技術研究發展中心釋出了2019年度中國科學十大進展，本團隊實驗室全職博士後李明星、雙聘研究員柳延輝的研究成果“基於材料基因工程研製出高溫塊體金屬玻璃”首次入選國家級十大科學進展。
材料基因工程是近年來以加速材料研究和材料探索為主要目標的新理念，可大幅提高新材料研發的效率。本團隊以材料基因工程的思路，採用多靶磁控濺射共沉積技術製備出同時含有上千種合金成分的組合樣品，透過高通量結構表徵初步確定了非晶合金形成成分範圍，並利用非晶合金的電阻率和非晶形成能力的關聯，進一步提出了用以判斷非晶形成能力的高通量電阻測量方法，獲得具有優異綜合性能的Ir-Ni-Ta-(B)高溫塊體非晶合金，其在高溫力學效能、熱穩定性、加工成型效能、耐蝕性、抗氧化等方面表現出前所未有的綜合優勢，相關研究結果已發表在國際知名期刊Nature上。
利用材料基因組理念和高通量技術進行非晶合金研製
和以往的高通量實驗方法相比，該方法不需要對組合樣品進行任何預處理或後續處理，測試周期短，所用的測量和表徵手段不會對組合樣品造成損傷，在同一成分點可對多個物理參量進行測量。本團隊提出的新方法具有高效性、無損性、易推廣等特點，顛覆了非晶合金領域60年來“炒菜式”的材料研發模式。
榮獲國家自然科學二等獎
近些年來，非晶材料的研究一直是金屬材料科學和技術研究的前沿。Science雜誌曾多次把非晶態材料科學問題列為當今材料科學和凝聚態物理中最具有挑戰性的前沿基礎科學難題。
在國家傑出青年基金、自然科學基金和973計劃等專案支援下，經過長時間的深入研究，發現了非晶合金的一個重要動力學弛豫模式，並驗證了存在的普適性，提出了該弛豫的微觀結構起源和機理，進而建立了該動力學弛豫模式與非晶合金動力學行為的關聯。在此基礎上，發展了從動力學調控非晶合金宏觀效能的有效實驗手段和方法，並研製出一系列具有室溫大塑性、室溫附近拉伸塑性的非晶合金材料，且首次實現了非晶合金的室溫均勻塑性變形。這些成果不僅有助於實現非晶合金材料宏觀力學效能的調控和設計，而且有助於理解非晶材料形變機制等材料基礎科學問題，為發展高效能非晶合金材料提供了理論依據和新思路，有助於促進非晶合金的工程化應用。基於此係列成果“動力學新模式的發現及在塑性非晶合金材料研發中的應用”榮獲2019年國家自然科學二等獎。
高效能材料“上九天攬月”，引領未知探索
太空探索對“理解宇宙演化、揭示生命起源、保護地球安全、開拓探索疆域、開發太空資源、推動科技進步”具有十分重要的意義。21世紀以來，國際航天進入到“大航天時代”的歷史機遇期，太空探索已經成為當前人類社會面臨的全球共同挑戰，重返月球、載人火星等極具挑戰性的探索任務已經逐步實施，並迅速催生了地月經濟圈、小行星採礦、月球開發及太空製造等新興領域。在新時代的新要求下，航天科技如何與新興前沿科技緊密結合、相互促進？中國航天如何以創新驅動實現新時代航天高質量發展？這是建設航天強國過程中亟待回答的重要問題。
為了進一步加速我國深空事業的發展和新太空材料的研究，2019年12月17日，由松山湖材料實驗室與錢學森實驗室聯合舉辦的“第二次太空探索實驗科學委員會會議暨新時代航天發展研討會（粵港澳大灣區科技創新論壇）”在東莞市松山湖材料實驗室粵港澳交叉科學中心順利召開，並揭牌成立“太空材料科學與應用研究中心”。會議由太空探索實驗科學委員會主席包為民院士、松山湖材料實驗室主任汪衛華院士及錢學森空間技術實驗室主任陳泓研究員共同主持，科學委員會共同主席李惕碚院士、戚發軔院士、楊孟飛院士、趙玉芬院士、 鄭平院士、鄭曉靜院士、鄒志剛院士等20多位院士專家出席了此次會議與揭牌儀式。這次研討會就太空3D列印、深空探測、航天空間技術等問題進行了深入交流與討論，各位院士專家對未來幾年內深空事業的高質量發展提出了極具建設性的建議與可行方案，為實驗室在未來積極參與國家深空事業提供了極佳的機遇。此次會議和研究中心的成立為材料科學與相關交叉學科的發展和創新性學術思想的誕生提供了廣闊平臺，逐步成為具有國際影響力的前沿科學交流新視窗。
太空中有極端的紫外線輻射、超高度真空、劇烈溫度變化和其它汙染,對某些材料有嚴重的降質作用，而找到具有高完整性、高均勻性、高純度、大尺寸的太空材料也就成為了我們要解決的首要問題。非晶合金因其具有高強度、大彈性、抗磨擦、耐腐蝕和抗輻照等優異的效能，同時在極低溫下具有良好的力學效能，能滿足太空極端環境中苛刻的服役要求。由於非晶合金兼具液體、塑膠和金屬的特性，使它成為太空3D列印的理想材料模型體系。後續團隊將主要從非晶合金原材料研究和3D列印工藝兩方面實現非晶合金的太空3D列印研究。
以“太空材料科學與應用研究中心”成立為契機，為了進一步提高東莞市的科學文化氛圍，培育科技創新的未來之星，松山湖材料實驗室的科研人員為全市眾多師生帶來了一場關於“太空探索實驗”材料合成與在軌制造方向的主題科普活動，大大激發了學生們的科研熱情，同時也為“太空探索實驗”青少年教育專案徵集活動提供了靈感。目前專案徵集活動已經吸引了超過一百名中小學生參與，最終東莞市6個專案入圍2020年全國“太空探索實驗”青少年教育專案，居各地區之首。我們將竭盡全力陪伴青少年一路前行，懷揣上下求索之心去探究宇宙太空的無限的可能性。
為了進一步解決非晶合金產學研脫節的突出問題，2020年5月12日下午，“非晶產學研聯合實驗室”籌建研討會在松山湖材料實驗室召開，會議由實驗室主任汪衛華院士主持。廣東工業大學副校長王成勇、東莞宜安科技股份有限公司董事長李楊德、非晶材料團隊負責人柯海波研究員、綠色非晶團隊負責人孫保安研究員，深圳大學馬將研究員等出席並參加會議討論。
聯合實驗室致力於打造一個具有顯著影響力的非晶合金材料產業鏈，研發具有不可替代性的標誌產品走向國際，同時力爭在非晶材料領域實現新理論新技術新方法的突破。透過企業、高校和科研院所產學研深度融合，在粵港澳大灣區建立非晶材料科學有效的產學研深度融合機構與機制，對完善新材料學科體系，推動技術創新支撐產業升級，建設製造強國具有重要戰略意義。
非晶合金壓鑄一次成型技術，打破國外柔性齒輪壟斷
21世紀以來，在工業機器人領域，諧波減速器始終是一個熱點。諧波減速器佔據機器人約3成的成本，在所有核心零部件中成本佔比最高。長期以來，機器人用精密減速器技術一直由美國、德國、日本、捷克等國家掌控，其中世界75%的精密減速器市場被日本的哈默納科（Hamonic）佔領。
各類零件在機器人成本中佔比
國內諧波傳動產業的主要問題是精度保持能力差，承載能力差、噪聲大，生產裝置落後，產品種類少，企業規模偏小、研發人員和投入都不足。制約減速器乃至中國製造業的一個老生常談的問題就是材料，這個不是一朝一夕可以解決的問題，這是需要長期的技術積累，需要大量研發投入。
諧波齒輪減速器由固定的內齒剛輪、柔輪和使柔輪發生徑向變形的波發生器組成，利用柔性齒輪產生可控制的彈性變形波，引起剛輪與柔輪的齒間相對錯齒來傳遞動力和運動，突破了機械傳動採用剛性構件機構的模式。諧波齒輪減速器具有高精度、高承載力等多項優點，和普通減速器相比，由於使用的材料要少50%，其體積及重量至少減少1/3。
諧波減速器
預計到2020年中國每年需要消耗190000臺機器人，實現機器人國產市場份額達50%（95000臺），2025年實現機器人國產市場份額超70%。在未來五年，這將為中國製造商提供超過740億美元的機器人及相關服務潛在市場。隨著我國工業機器人應用市場的快速發展，工業機器人用減速器市場需求規模也隨之增長。一般情況下，一臺工業機器人需要的減速器個數為4-6臺。隨著未來工業機器人的發展，中投顧問產業研究中心預測到2020年我國工業機器人減速器市場規模將超過40億元，未來五年複合增長率約為30%。
面對這樣一個極富增長力的市場，諧波齒輪的效能，特別是柔性齒輪的疲勞斷裂，限制了國產諧波減速器的進一步發展。目前國際上該產品主要由日本的哈默納科（Hamonic）公司壟斷，具有絕對的市場定價權。諧波減速器由於尺寸精度高，且要求原材料為高熔點金屬，目前主要依賴精密數控機床來完成加工，效率低。並且該加工方法對材料的利用率極低，在加工過程中約有94%材料浪費，不但提高了成本，還造成了材料的大量浪費。因此，選取效能優異的新材料，開發新型的製備技術從而提高生產效率是目前諧波減速器行業亟需解決的問題。
非晶合金具有接近理論極限的高強度（最高可達6GPa）、低彈性模量，以及近2%的彈性變形極限（高出常規合金材料一個數量級）、優異的耐磨效能和抗疲勞特性，是製備柔性機構最理想的原材料。柔性機構是指透過其部分或全部具有柔性的構件變形而產生位移，是傳動力的機械結構，強度/模量（σ/E）比值越高，則越適合做成柔性機構。如表所示，非晶合金相較於30CrMnSiA具有更加優異的柔性效能，是理想的諧波齒輪減速器原材料。
目前，柔性齒輪主要還是要靠機加工，然而機加工成本居高不下，團隊經多方調研後，採用壓鑄成型法來生產柔性齒輪。壓鑄是一種利用高壓強制將金屬熔液壓入形狀複雜的金屬模內的一種精密鑄造法。經由壓鑄而鑄成的壓鑄件之尺寸公差甚小，表面精度甚高，在大多數的情況下，壓鑄件不需再車削加工即可裝配應用，有螺紋的零件亦可直接鑄出。
憑藉非晶合金優異的力學效能以及壓鑄一次成型技術，團隊努力打破西方國家對諧波減速器的壟斷。團隊已開發出一系列臨界尺寸在7-10mm的非晶合金成分，可成為高效能柔性齒輪的新型備選材料。
材料作為二十一世紀的三大支柱產業之一，我們利用力學效能更加優異的非晶合金，來打破發達國家對諧波減速器的壟斷，降低諧波齒輪價格，從而推動工業機器人的進一步普及。得益於團隊深耕非晶合金材料多年以及與東莞當地企業聯合設計搭建適合實驗室的臥式真空壓鑄機，團隊正加緊生產效能優異的柔性齒輪，推動國家在這個細分領域的科技進步。
精誠團結，“產”業聯盟化
在科技成果產業化方面，松山湖材料實驗室為培育出有發展潛力的新材料高科技企業，正在探索“創新樣板工廠”新模式；並透過將實驗室的成果在樣板工廠內小、中試孵化的技術與社會資本相結合的方法，以帶動粵港澳材料相關產業的聚集。目前與相關企業已初步達成了共建產業園區的意向，後續實驗室會有更多的科研成果走向應用、走向市場，來實現實驗室對科技型企業的技術供給。
目前，松山湖材料實驗室不僅與深圳大學、廣東工業大學、東莞理工學院等高校攜手立足於非晶合金的應用基礎研究，而且與國內領先的新材料企業東莞宜安科技股份有限公司、東莞臺一盈拓科技股份有限公司和東莞本潤機器人科技股份有限公司等科技公司達成相關產業化合作。同時，宜安科技希望與松山湖材料實驗室一起解決目前在非晶塊體產業領域遇到的困難以及產業化工程背後的科學問題，進而打造以東莞為中心的非晶材料產業群。
松山湖實驗室希望能與更多傑出企業密切協作，團結交流，建設一個國家乃至國際一流的學科科研平臺，促進我國粵港澳大灣區的經濟社會發展。
