稀土材料 | 稀土基块体非晶合金

块体非晶合金是一类具有短程有序长程无序结构的新型金属材料。与具有平移对称性的晶态合金材料相比，块体非晶合金表现出更为优泉的力学性能（如：高强度、高硬度、高弹性极限、高断裂韧性、低阻尼衰减以及良好的抗磨损性能等）和过冷液体的精密复写性以及易铸造成型等特征，可以用于纳米至毫米级微型机械的结构部件超精密成型。块体非晶合金以其优于传统晶态材料的物理化学性能，有望作为高性能结构、功能材料而得以广泛应用，并被期望以此为契机引发新一轮的科学技术革命。

20世纪80年代末期，日本东北大学金属材料研究所的井上、张涛及其合作者在利用熔体旋淬技术（Melt Spinning Technique）研究多元稀土基非晶合金La-Al-Ni和La-Al-Cu时，发现了“异常高”的玻璃形成能力的合金成分。他们通过引入常规合金铸造工艺，发展出了铜模铸造的快速凝固技术（Copper Mold Casting Technique），并首次采用该方法成功制备得到成分为Lass Al2s Ni2o的2.5mm直径的非晶棒材以及1.5mmx5mm的非晶板材。

此后，在1991年，他们又成功的开发出轻质高强度Mg基三元块体非晶合金以及高玻璃形成能力的Zr基块体非晶合金。由于铜模铸造法方法引入突破了原有快速凝固技术中只能够制备一维或二维线状或带状试样的局限，可获得三维块体非晶合金材料，且方法简单，更接近传统的合金成型铸造工艺，因此该技术及其衍生的高压铸造技术、吸铸技术等一经发明，就被全世界非晶领域的研究工作者所广泛采用。

自以La-Al-Ni-（Cu）为代表的一系列多组元稀土基块体非晶合金组分被发现以来，稀土基块体非晶合金就受到了广泛的关注。该类合金表现出丰富的物理现象和新奇的物理性能，如超高的玻璃形成能力、低的玻璃转变温度、过冷液体区间热塑性和超塑性、硬磁特性、低温磁制冷等特性，这些都使稀土基块体非晶不仅对基础科学研究而且对工业应用均有重要利用价值。

稀土基块体非晶合金的制备方法与其它块体非晶合金类似，主要有熔炼和成型两步。熔炼过程是将合金元素按照设定组成比放在高真空电弧炉中熔化均匀。熔炼母合金至少反复3次以上，以便获得均匀的成分。将熔融的母合金采用吹铸成型、吸铸成型或浇注成型等制备手段注入铜模中，根据铜模内腔的形状和尺寸制备出相应的铸态块体非晶合金样品。

稀土基块体非晶合金作为块体非晶合金的一个系列，展现出许多奇特的物理特性。如镧基BMGs具有低温超导现象 ，镧、铈基BMGs可以在近室温进行热塑性和超塑性成形镧铈基 BMGs在高压下发生电子结构相变镨基及钕基BMGs的硬磁性质，钆基BMGs的大磁熵效应 等，这些BMGs材料不但为基础科学研究提供了很好的模型，同时还具有潜在的工业应用前景。

作为块体非晶的一个特别的系列，稀土基块体金属玻璃已经展现出独特的物理、化学、力学特性，这使其成为材料领域非常具有理论研究和应用价值的材料。轻稀土系列的La、Ce基块体非晶不仅拥有很好的形成能力而且拥有所有块体非晶中最低的玻璃转变温度点，这两点赋予Ce基块体非晶独特的近室温加工特性。优良的导电性、优异的力学性能和热稳定性以及类似塑料的优良的近室温加工成型的超塑性能，表明该材料在用于微纳米级的微塑性变形和微加工器件材料方面拥有良好的应用前景。

具有硬磁特性的Nd（Pr）-Fe-Al系列大块金属玻璃，相比其他同类材料，在过冷液相区有高的塑性应变，非常容易制成球状、薄片、环形、柱体、卷材以及其他形状，可应用于永磁体以及电子设备中的组件或器件。重稀土（Gd、Tb、Dy、Ho等）基块体金属玻璃具备丰富的磁结构和热稳定性，不仅是理想的研究电输运特性、磁转变和低温磁激发等系列基本问题的理想材料，而且在作为功能材料方面有一定的应用前景。研究已经证实，重稀土基块体非晶在磁制冷方面表现出自己独特的优势，具备潜在的应用价值。

与非晶薄膜相比，稀土基块体金属玻璃可获得三维尺寸的铸件，有易于加工成型等优势，作为潜在的功能材料诸如磁光记录材料、磁制冷材料、磁致伸缩材料等方面，具有更大的应用价值和潜力。随着对稀土基块体金属玻璃研究的不断深入，相信稀土基块体金属玻璃将展现出更广阔的应用前景。