在合金材料中，非晶合金（又稱金屬玻璃）是一類新型的多組元合金。它們有獨特的無序原子結構、優(yōu)異的力學和物理化學特性，吸引了材料科學和凝聚態(tài)物理等多個領域的關注。非晶合金既可以具有高達 6.0 GPa、比普通鋼材高出 15 倍的強度（如 Co 基非晶合金），又可以像塑料一樣進行超塑性加工。非晶合金的多組元特點提供了海量的元素配比，使得性能調控可以在極寬的成分范圍實現(xiàn)，為非晶合金提供了廣闊的應用場景。例如，軟磁性能優(yōu)異的鐵基非晶合金已經(jīng)廣泛應用于變壓器、高速電機等高附加值產(chǎn)品。然而，非晶合金的元素多樣性所帶來的成分復雜程度也嚴重阻礙了高性能新材料的設計和有效開發(fā)。60 年來，全世界近百個研究組僅獲得十多個可以大規(guī)模應用的非晶合金成分，大量具有特殊性能的非晶合金材料還沒有被發(fā)現(xiàn)。

對非晶合金而言，最重要、最基本的參量是非晶形成能力，因為它直接決定了某種合金成分能形成多大尺寸的完全非晶態(tài)材料并表現(xiàn)出非晶合金特有的性能。探索非晶形成能力強的合金體系一直是非晶合金領域的核心科學問題、關系到非晶合金工程應用的關鍵技術難題。但是非晶合金的形成過程涉及物理、化學、材料等多學科交叉基礎問題和多體相互作用，其復雜性使得現(xiàn)有的理論和計算模擬尚不能精確預測合金成分。

多年來，非晶合金的開發(fā)始終停留在傳統(tǒng)的“試錯法”階段，探索過程低效、漫長，致使非晶合金的材料創(chuàng)新面臨重大挑戰(zhàn)和瓶頸。

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，其中的高通量實驗是在海量樣品中直接優(yōu)選新材料、獲取實驗大數(shù)據(jù)的基本手段。在高通量實驗中，組合制備能夠實現(xiàn)系列樣品的平行合成，結合結構和性能的高通量表征，材料基因工程可在短時間內篩選出具有預期特性的新材料，大幅提高新材料研發(fā)的效率。

近日，中國科學院物理研究所 / 北京凝聚態(tài)物理國家研究中心柳延輝、汪衛(wèi)華研究組和美國耶魯大學、約翰霍普金斯大學、日本東北大學組成合作團隊，采用材料基因工程理念開發(fā)了獨特的高通量實驗方法，在高性能非晶合金的成分設計和探索中取得突破，實現(xiàn)了非晶合金的快速篩選，研制出高溫高強非晶合金材料新體系。高通量實驗方法在非晶合金領域創(chuàng)造性的應用，有望突破成分多樣性和復雜性造成的非晶合金材料探索所遇到的瓶頸，解決非晶合金的形成能力問題，實現(xiàn)非晶合金新材料的高效探索，獲得更多高性能非晶合金材料，拓寬非晶合金在高技術領域的應用范圍。

該團隊充分利用已知的經(jīng)驗準則和物理量關聯(lián)關系，設計了一個全新的、有可能具有強的非晶形成能力的 Ir-Ni-Ta-（B） 材料體系。但是，這些元素配比的排列組合千變萬化，很難預測哪些具體成分有更強的非晶形成能力，用傳統(tǒng)的“試錯法”進行實驗驗證又耗時耗力。采用材料基因工程的思路，柳延輝、汪衛(wèi)華團隊用多靶磁控濺射共沉積技術制備出同時含有上千種合金成分的組合樣品，通過高通量結構表征初步確定了非晶形成成分范圍。利用非晶合金的電阻率和非晶形成能力的關聯(lián)，該團隊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，在 Ir-Ni-Ta-（B） 合金體系中確定了最佳的非晶形成成分范圍，并獲得了具有優(yōu)異綜合性能的高溫塊體非晶合金。

和以往的高通量實驗方法相比，該團隊提出的新方法具有高效性、無損性、易推廣等特點。該方法不需要對組合樣品進行任何預處理或后續(xù)處理，測試周期短，1-2 小時即可在成千上萬種合金中確定最佳的非晶形成成分范圍；所用的測量和表征手段不會造成組合樣品的損傷，在同一成分點可對多個物理參量進行測量，在建立物理參量的關聯(lián)關系時能夠確保精度；高通量電阻測量設備價格低廉，能被廣大實驗室接受，有利于更多研究團隊開展高通量實驗工作。

非晶合金是亞穩(wěn)態(tài)金屬材料，在一定的溫度下會發(fā)生老化或轉變?yōu)榫B(tài)合金，喪失非晶態(tài)的優(yōu)異性能。因此，非晶合金的服役溫度需要在其玻璃轉變溫度之下。目前，絕大部分非晶合金的使役溫度在 300℃左右，這導致其應用在很多領域受限。該團隊采用材料基因工程理念研發(fā)的 Ir-Ni-Ta-（B） 非晶合金在高溫力學性能、熱穩(wěn)定性、加工成型性能、耐蝕性、抗氧化等方面表現(xiàn)出前所未有的綜合優(yōu)勢。Ir-Ni-Ta-（B） 非晶合金的玻璃轉變溫度超過 800℃，比目前工程應用最為廣泛的鋯基非晶合金高出400℃。在常溫下，Ir-Ni-Ta-（B） 非晶合金的強度約為 5.1 GPa，是普通鋼材的 10 倍以上，即使在超過 700℃的高溫條件下，Ir-Ni-Ta-（B） 非晶合金仍能保持 3.7 GPa 的強度，遠遠超過傳統(tǒng)的高溫合金和高熵合金的強度。

除了高溫強度，Ir-Ni-Ta-（B） 高溫非晶合金還表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在玻璃轉變溫度以上具有超塑性，可通過超塑性成型工藝被加工成各種形狀的高精密零部件。此外，Ir-Ni-Ta-（B） 非晶合金還具備耐蝕和抗氧化的特點，可在王水中浸泡數(shù)月而不被腐蝕，在高溫環(huán)境中也難以被氧化，說明用這些新型非晶合金制成的零部件不僅能在高溫條件下服役，而且能在惡劣環(huán)境中使用。Ir-Ni-Ta-（B） 高溫非晶合金展現(xiàn)出的綜合性能打破了非晶合金只能在常規(guī)環(huán)境中使用的限制，為設計開發(fā)新型高溫材料提供了新的視角。

非晶合金自被發(fā)現(xiàn)以來由于其高性能而在能源、通訊、航天、國防等高技術領域得到廣泛應用，被認為是繼鋼鐵、塑料之后的新一代工程材料。該團隊發(fā)展的高通量實驗方法顛覆了非晶合金領域 60 年來“炒菜式”的材料研發(fā)模式，證實了材料基因工程在新材料研發(fā)中的有效性，為解決非晶合金新材料探索效率低的難題開辟了新的途徑，同時也為新型高溫、高性能合金材料的設計提供了新的思路。相信在不久的將來，更多、性能更優(yōu)異的非晶合金材料將不斷涌現(xiàn)出來。

博士研究生李明星是這項工作的第一作者，柳延輝研究員是通訊作者。上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2017YFB0701900）、973 項目（2015CB856800）、國家自然科學基金項目（11790291，61888102）、中國科學院前沿科學重點研究計劃（QYZDY-SSW-JSC017）和先導 B 專項（XDB30000000）、北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心、國家杰出青年科學基金（51825104）等的支持。

相關研究結果最近發(fā)表在 Nature 上（https://doi.org/10.1038/s41586-019-1145-z）。

圖1. Ir-Ni-Ta-(B)高溫非晶合金的設計以及高通量實驗方法。該方法一次可實現(xiàn)1000個成分點以上的快速制備和表征，比傳統(tǒng)非晶合金探索方法效率高1000倍以上。

圖2. Ir-Ni-Ta三元合金體系的非晶形成范圍、電阻隨成分的變化、塊體非晶形成范圍及其玻璃轉變溫度、晶化溫度和熔化行為。

圖3. Ir-Ni-Ta-(B)高溫非晶合金和其他合金材料在玻璃轉變溫度、熱穩(wěn)定性、以及力學性能方面的對比。在1000K高溫條件下，Ir-Ni-Ta-(B)非晶合金和其它高溫合金相比仍然保持優(yōu)異的力學性能。

圖4. Ir-Ni-Ta-(B)高溫非晶合金具有低膨脹系數(shù)、抗氧化、耐腐蝕的特點，并且能通過超塑性成型工藝進行高精密加工。