非晶合金以及其主组元的结构图。可以把非晶合金
模型化为一系列弹簧。图中用刚度系数大的弹簧E2 代表溶
质和溶剂组元的强健结合，小弹簧E1 代表一系列溶剂原子
之间较弱的键合。非晶合金可看成是溶剂原子（最小的球）、
以溶质原子为中心的团簇，以及有这些团簇组成的超团簇密
堆而成。大球中的黑点是超团簇中的溶剂原
当高能粒子撞击非晶合金
盘并进入盘中时，由于非晶合金中的原子没有晶体结
构中存在的通道效应，因而能够有效地截留住太阳风
高能粒子。他们用非晶合金捕捉太阳风，获得0.1 克
太阳物质！
汪卫华: 非晶态物质的本质和特性
图254. 根据混合法则计算的模量和测量的模量的比较[483]
是溶剂原子(最小的球)、以溶质原子为中心的团簇，以
及有这些团簇组成的超团簇密堆而成。大球中的黑点
是超团簇中的溶剂原子。非晶合金这样的结构可以模
型化为一系列弹簧的串联。用刚度系数大的弹簧E2代
表溶质和溶剂组元的强健结合，小弹簧E1代表一系列
溶剂原子之间较弱的键合。从这个模型可以容易看出
在外力作用下，主要是小弹簧起作用，弹簧组合的模
量取决于小弹簧（见示意图258）。即主组元模量决定
非晶合金的模量。非晶合金的模量遗传也证实了非晶
合金类似橡胶的不均匀结构的特点[482]。
由于非晶合金的模量和非晶本身的很多性质关
联，所以模量遗传性表明非晶合金其它物性可能也有
遗传性。如泊松比和断裂韧性关联，而从图256 可
以看出具有大泊松比、大塑性的Zr-，Cu-，Au-，Pt-
和Pd-基非晶合金的主组元的泊松比也很大。所以可
以说非晶合金的塑性主要是其主组元决定的，即塑形
和断裂韧性具有遗传性。这种性能遗传性能为探索新
型非晶合金提供了新思路。
非晶合金的结构遗传性为认识非晶形变的微结构
原因提供帮助。模量遗传性说明非晶合金结构的不均
匀性，这对理解非晶合金形变单元有帮助。模量遗传
图255. (a) 各种非晶合金的切变模量(GMG) 与其主组
元切变模量(Gsol) 关系； (b) 各种非晶合金的杨氏模
量(EMG) 与其主组元杨氏模量(Esol)关系。图中红线表
示GMG=Gsol 和EMG=Esol 都接近1, 表明这些非晶合金的
模量主要由其主组元决定[483]
性说明非晶合金中存在不同的强弱键，形变单元很可
能起始于弱键连接处[483]。
另外，遗传性和合金中的键合密切相关。非晶合
金的Tg 和其G 以及E 或者Debye 温度£D 有关
联。图259 是包括Zr-，Cu-，Pd-，Fe-，Co-，Mo-，W-
，Mg-，Sr-，Al-，Ca-，Nd-，Gd-，Ho-，Dy-，Tm-，La-
，Tb-，Ce-，Er-，Au-和Pt-基非晶合金在内的Tg 与
其主组元E 和G 的关系图。可以看到Tg 和非晶主
组元的E 或G 有关联关系[483]。这说明一种非晶合
金的Tg 也是主要由其主组元的模量决定的，即一个
非晶体系的Tg 主要决定于其溶剂原子之间的键合的
强弱。这就是说Tg 也具有遗传性。这样玻璃转变可
以看做是合金中最弱的溶剂|溶剂原子键打破或者粘
接。
最近还发现非晶合金的电子结构也具有遗传性。
Ce-基等几个少数非晶合金中发现在高压下发生非晶
到非晶的多形转变[484;485]。而在其它非晶合金体系一
直没有发现。这是因为Ce 由于存在4f 电子在高压下
汪卫华: 非晶态物质的本质和特性329
图256. 不同非晶合金泊松比与其主组元泊松比的对
比[12;483]
图257. 非晶合金以及其主组元的结构图。可以把非晶合金
模型化为一系列弹簧。图中用刚度系数大的弹簧E2 代表溶
质和溶剂组元的强健结合，小弹簧E1 代表一系列溶剂原子
之间较弱的键合。非晶合金可看成是溶剂原子（最小的球）、
以溶质原子为中心的团簇，以及有这些团簇组成的超团簇密
堆而成。大球中的黑点是超团簇中的溶剂原子[483]
会发生多形转变（Ce 的fcc ® 相转变成fcc ° 相），这
种特性会遗传到非晶合金中，造成Ce 非晶合金中的
多形转变。再如，Gd，Er，Ho，Tm 和Dy 等重稀土具
有大的磁热效应，所以Gd-，Ho-，Dy-，Tm-和Er-基
非晶合金也具有很大的磁热效应[80;175]。Ce，Yb 合
金有Kondo 效应，相应的非晶合金也有Kondo 效
图258. 示意说明非晶合金中的弹性形变。在加力时主要是
小弹簧（主组元溶质原子）承载形变[483]
图259. 各种非晶合金玻璃转变温度Tg 和杨氏模量E
(a) 以及G (b) 的关系图[483]
应[470]等等。
E. 非晶合金的应用
关于非晶合金的应用有很多误解和非议，尤其对
新型的快体非晶合金的应用还有很多疑虑和非议。这
些也反映了人们对这类新材料应用的热切期待。客
观上讲，在过去的十几年块体非晶合金在应用取得了
长足的进展，但大规模工业应用的瓶颈一直没有被突
破。而这一瓶颈问题恰恰可能给中国的非晶合金应用
研究带来了难得的机遇。这是因为国内已有十几年的
330 汪卫华: 非晶态物质的本质和特性
非晶研究积累，有蓬勃发展的制造业和较低的产业化
门槛，所以，非晶合金的应用研究极有可能在中国取
得突破性进展。实际上，条带非晶合金材料已经有大
规模、广泛的应用，非晶合金材料已经涉及我们生活
的方方面面。非晶合金已经在国内形成很大的产业
链(有近百家非晶合金生产企业)和广大的市场。现在，
我国已是继日本之后，世界上第二个拥有非晶合金变
压器原材料量产的国家，形成了近1000 亿元以上的
非晶铁芯高端制造产业集群，为国家电力系统的节能
减排做出了积极贡献。最近，国内非晶合金研发和生
产企业自发成立了非晶合金研究和开发的行业协会。
该协会的目的是以产业化为主要目标，推动企业与科
研院所之间合作，建立非晶合金产业政、产、学、研、
用协作关系，制定、健全我国非晶合金以带材为主产
品的生产、使用标准，引导我国非晶合金产业科学、合
理、规范地发展[486]。
非晶合金最成熟和广泛的应用是在非晶磁性方
面[487]。Fe、Ni，Co 基非晶合金条带因为其优异的软
磁特性已经得到广泛的应用。非晶合金条带已成为各
种变压器、电感器和传感器、磁屏蔽材料、无线电频率
识别器等的理想铁芯材料，已经是电力、电力电子和
电子信息领域不可缺少的重要基础材料，其制造技术
也已经相当成熟。最近日本东北大学进一步开发出多
类铁磁性块体非晶合金，并用铜模铸造法制备出环形
磁芯，这些块体非晶合金具有高磁饱和强度，高磁导
率，低矫顽力，具有低的饱和磁致伸缩，使得它们的软
磁性能远优于传统比硅钢片材料及传统的晶体结构的
磁性材料[487]。相信这些材料将很快应用于快速发展
的电子信息领域，如计算机、网络、通信和工业自动化
等。这些领域的各种电子设备大量应用轻、薄、小和
高度集成化的开关电源，所采用的手段是高频电子技
术，这就要求其中变压器和电感器的软磁铁芯适用于
高频场合。具有高饱和磁感、高磁导率、低损耗、易于
加工的块体非晶合金，可以直接熔铸或加工成各种复
杂结构的微型铁芯，然后制成变压器或电感器，应用
于各类电子或通信设备中。因此，应用前景和市场空
间十分广阔。
非晶合金另一个重要的特性是生物兼容性、可降
解（如Ca-，Mg-基非晶合金）和不会引起过敏，这在
医学上可用于修复移植和制造外科手术器件，如外科
手术刀，人造骨头，用于电磁刺激的体内生物传感材
料，人造牙齿等[487]。生物可降解的生物体植入材料，
因为其可以避免取出时的二次手术或永久性植入材料
带来的生物排异性等伤害。镁基非晶合金因为其可降
图260. 非晶合金在军事及航天上的应用。(a) 非晶合金穿
甲弹；(b) 卫星的非晶合金展开机构；(c) 非晶合金太阳风搜
集器[472]
解性、较高的强度、接近骨头的弹性模量可能成为新
一代为体内支架类材料。镁基非晶合金在可降解生物
材料方面具有很大的应用潜力。
非晶合金将在高技术领域有重要应用，这既可避
免其高成本的问题，又可充分发挥其独特的性能. 例如
非晶合金重要的航空航天候选材料。对于利用弹性能
展开的关键机构材料而言，非晶合金弹性变形行为尤
为重要。非晶合金的弹性变形可达2%，目前非晶合
金弹性极限最高已超过5000 MPa，轻质非晶合金中，
钛基非晶合金的弹性极限可超过2000 MPa，这是常
规晶态材料和高分子材料不能达到的。最近发现的拉
伸强度大于1.5 GPa，断裂韧性高达200 MPa
p
m 非
晶单相合金，这是目前断裂韧性最高的材料，实现
了高强度和高韧性的完美结合。因此，非晶合金能
够满足航天器大型展开机构苛刻的性能要求。实际
上，NASA 在块体非晶合金发现之初就与加州理工学
院的Johnson 教授研究组合作，共同开发高硬度、高
比强非晶合金泡沫材料，以及利用非晶合金的化学均
匀性用作太阳风的采集器材料[472]。图260是美国宇航
局创世纪计划在起源号宇宙飞船上安装的用块体非晶
合金制成的太阳风搜集器，当高能粒子撞击非晶合金
盘并进入盘中时，由于非晶合金中的原子没有晶体结
构中存在的通道效应，因而能够有效地截留住太阳风
高能粒子。他们用非晶合金捕捉太阳风，获得0.1 克
太阳物质！ 此外基于非晶合金的高比强、高抗磨损、
耐腐蚀、净成型等特征开展将其用于飞行器相关壳体
材料应用研究
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