金属玻璃：新型非晶态合金，显双重优势

金属与材料 证券研究报告 2024年03月17日 投资评级 金属玻璃—新型非晶态合金，显双重优势 金属玻璃：独特的无序结构显著优于晶态金属 金属玻璃是由熔融的液体经过快速冷却后，发生“玻璃化转变”所形成的非晶态固体，即非晶合金。目前可以通过X射线衍射、中子衍射、电子显微镜等方法测定其非晶态结构，金属玻璃具有长程无序，短程有序，宏观均匀、 行业评级强于大市(维持评级) 上次评级强于大市 作者 刘奕町分析师 SAC执业证书编号：S1110523050001 liuyiting@tfzq.com 各向同性，短程不均匀的四个结构特点。由于其独特的无序结构，因而具有 诸多优异的力学、物理和化学性能。 行业走势图 金属与材料沪深300 制备工艺不断迭代，金属玻璃优异性能衍生广泛应用 常规非晶合金的制备方法多样，主要可以分为三大类。包括近快速凝固法、快速凝固法和深过冷凝固技术。金属玻璃可广泛应用于体育领域、军工领域、电子产品等生活各领域中。金属玻璃在高尔夫球具上的成功应用，很快引起了人们对金属玻璃新材料的关注。金属玻璃因此很快在滑雪、棒球、滑冰、网球拍、自行车和潜水装置等许多体育项目中得到应用。目前，日本、美国、欧洲、中国都在致力于金属玻璃的应用开发和商业化。磁敏感的金属玻璃用于书、光盘的防盗标签，金属玻璃也广泛应用于高档手表、手机、手提电脑的外壳。 市场规模预期不断攀升，金属玻璃有望在多领域发挥关键性作用 2022年全球金属玻璃市场规模达4023.85亿元，中国金属玻璃市场规模达 1266.71亿元，结合历史趋势和发展环境等方面因素，贝哲斯咨询预测到 2028年，全球金属玻璃市场规模预计将达6128.64亿元。开发新一代高性能的、突破现有尺寸限制的、低成本的、结构功能一体化的Fe、Cu、Al、Mg基等金属玻璃体系是未来的发展趋势。我们认为随着我国金属玻璃研发的不断深入，加之产业化不断推进，金属玻璃下游市场空间有望进一步打开，建议关注行业及相关公司进展。 风险提示：技术发展不及预期风险；下游需求不及预期风险；产业政策推进不及预期风险。 5% -1% -7% -13% -19% -25% -31% -37% 2023-032023-072023-11 资料来源：聚源数据 相关报告 1《金属与材料-行业研究周报:降息预 期延续，金价大涨》2024-03-11 2《金属与材料-行业研究周报:镁基固态储氢产业化提速，镁行业迎发展机遇》2024-03-10 3《金属与材料-行业研究周报:光电性能优异，钙钛矿产业化进程加速》 2024-03-03 1.金属玻璃：独特的无序结构显著优于晶态金属 金属玻璃是由熔融的液体经过快速冷却后，发生“玻璃化转变”所形成的非晶态固体，即非晶合金。在一般情况下，金属合金在冷却过程中会结晶，材料内部原子会遵循一定的规则有序排列，这样凝固而成的合金就是常见的钢铁等晶态金属材料。而快速凝固阻止金属熔体凝固过程中晶体相的形成，使原子来不及形成有序排列的晶体结构，这样金属熔体原子无序的混乱排列状态就被冻结下来。目前可以通过X射线衍射、中子衍射、电子显微镜等方法测定其非晶态结构，金属玻璃具有长程无序，短程有序，宏观均匀、各向同性，短程不均匀的四个结构特点。由于其独特的无序结构，因而具有诸多优异的力学、物理和化学性能。 图1：晶体结构（左）与金属玻璃结构（右） 资料来源：力学科普公众号，天风证券研究所 金属玻璃的制备、研究和应用大致可分为如下四个时期。 金属玻璃探索时期：在约1920—1960年时期，一方面通过实验证实可以获得金属玻璃，另一方面以Turnbull，Anderson为代表的科学家发展了金属玻璃形成和电子结构理论。 金属玻璃发展的第一个高潮期：1960年，加州理工学院杜威兹(Duwez)教授等人发明了熔体快速冷却的凝固方法(急冷法)，与此同时，苏联科学家也报道了金属玻璃制备的类似装置。不久后Pond和Maddin发明了制备具有一定连续长度的非晶合金条带的技术，实现其廉价地大量生产，逐渐形成了金属玻璃发展的第一个高潮期。1971年，H.S.Chen(陈鹤寿)等人采用快冷连铸轧辊法制成多种铁基非晶态合金的薄带和细丝，并正式命名为“金属玻璃(MetglasTM)”。 块体金属玻璃探索时期：块体金属玻璃(bulkmetallicglass)通常是指3维尺寸都在毫米以上的金属玻璃。Turnbull和他的学生翟显荣(W.H.Kui)采用助溶剂包裹的方法(Fluxing方法)，制备出最大尺寸近厘米的PdNiP非晶合金。随后用同样的方法又发现一系列毫米级Pd基，Pt基金属玻璃。Pd基非晶合金具有很强的非晶形成能力，可以称之为第一代大块金属玻璃。但Pd，Pt较为昂贵，且制备工艺复杂，难以工业化推广。 块体金属玻璃的发现和发展—金属玻璃研究的第二个高潮：到20世纪80年代末，Inoue等人采用金属模浇铸(metalmoldcasting)方法系统评估一系列由过渡金属组成的多组元合金玻璃形成能力，获得了La-Al-Ni-Cu，Mg-Y-Ni-Cu，Zr-Al-Ni-Cu等具有很强玻璃形成能力的第二代块体金属玻璃体系(呈直径为1—10mm的棒状、条状)。在此基础上，1993年，Johnson等人通过掺金属Be的方法，发现了玻璃形成能力超强的Zr-Ti-Cu-Ni-Be合金系。以Zr基大块金属玻璃为代表的第二代金属玻璃，由常用金属元素组成，其形成能力接近传统氧化物玻璃，尺寸最大达直径8cm，最低临界冷却速率低于1K/s。第二代大块金属玻璃的制备工艺更加简单，合金系种类也更多。不仅包括了传统金属玻璃的特点，同 时具有更高的热稳定性和优异的力学、物理性能，具有广阔的应用潜力。 2.制备工艺不断迭代，金属玻璃优异性能衍生广泛应用 常规非晶合金的制备方法多样，主要可以分为三大类。包括近快速凝固法、快速凝固法和深过冷凝固技术。近快速凝固法和快速凝固法可以获得很快的冷却速率（减小tn），从而形成非晶合金。而深过冷凝固技术是指提高液体的过冷度（提高△T）达到制备非晶的目的，但冷却速率较慢。 图2：非晶合金制备方法的发展历史 资料来源：材易通公众号，天风证券研究所 金属玻璃可广泛应用于体育领域、军工领域、电子产品等生活各领域中。Zr基大块金属玻璃具有高强度、高弹性、密度介于钛和钢之间的特点，首先被用于制造高尔夫球具。球头的能量传递特性是高尔夫球具一个主要指标，Zr基大块金属玻璃制成的球头能够传递90%以上的能量到球上。金属玻璃在高尔夫球具上的成功应用，很快引起了人们对金属玻璃新材料的关注。金属玻璃因此很快在滑雪、棒球、滑冰、网球拍、自行车和潜水装置等许多体育项目中得到应用。钨丝增强的锆/钛基大块金属玻璃，其钨丝的体积分数可以达到80%，其杨氏模量可以达到350GPa，密度可以达到16.7g/cm3，具有类似于贫铀合金的高绝热剪切敏感性。这种特殊性能使得金属玻璃被用来制造穿甲弹弹芯材料。目前，日本、美国、欧洲、中国都在致力于金属玻璃的应用开发和商业化。磁敏感的金属玻璃用于书、光盘的防盗标签，金属玻璃也广泛应用于高档手表、手机、手提电脑的外壳。 图3：中国科学院物理研究所研制的大块金属玻璃图4：金属玻璃应用实例 资料来源：中国物理学会期刊网公众号，天风证券研究所资料来源：中国物理学会期刊网公众号，天风证券研究所 注：(a)Zr基块体金属玻璃制造的商业化高尔夫球头；(b)用块体金属玻璃制备的手机外壳；(c)由块体金属玻璃制备的微小齿轮 表1：金属玻璃的性能特点及应用 性能 具体内容 应用 优异的力学性能 块体金属材料强度的最高纪录是Co-Fe-Ta-B块体金属玻 穿甲弹弹芯材料、微齿轮、折叠手机铰链 璃的压缩强度5185MPa，最高的断裂韧性是Pd基金属玻 等高精度产品。 璃的200MPa・m1/2。 最大弹性极限 非晶合金的最大弹性应变量可达2.2%，而传统晶体材料的 生物医用金属玻璃。 弹性极限通常小于0.5%，因此非晶合金具有更高的弹性比功。 过冷液相区的超塑性 金属玻璃在过冷液相区内表现出黏性流动行为，呈现出超 各种精密零部件。 塑性变形的特征，有些合金成分的伸长率甚至超过15倍。 优异的软磁性能 由于磁性近邻交换相互作用，金属玻璃表现出宏观上的铁 非晶磁芯，然后制成变压器或电感器，应 磁性。此外，结构上的各向同性使其具有较小的各向异性， 用于计算机、网络、通信和工业自动化等 这也是它具有优异软磁性能的重要原因之一。 行业。 优异的耐腐蚀性能 金属玻璃中不存在晶态材料中易腐蚀的晶界、相界等晶体 医用固定骨折夹板和钉的首选材料，航母 缺陷，同时成分均匀，可以大量包含易形成稳定钝化膜的 等舰艇防腐、隐身、高耐磨表面硬化和轻 元素。 量化部件、抗腐蚀部件和电子器件保护套等方面的应用。 优异的抗辐照性能 不同于传统晶体材料在辐照条件下会出现离位损伤，金属 铁基金属玻璃在核电领域具有广泛的应用 玻璃所具有的独特的拓扑无序结构，使其具有优异的抗辐 前景。 照性能。 优异的电催化性能 简单结构有利于合成具有均匀孔结构的纳米多孔金属；多 制备电催化材料的前驱体。 组元组成的前驱体，成分范围宽，组元可调，便于通过合金化策略实现孔结构调控 资料来源：材易通公众号，中国材料研究学会公众号，天风证券研究所 市场规模预期不断攀升，金属玻璃有望在多领域发挥关键性作用。2022年全球金属玻璃市场规模达4023.85亿元，中国金属玻璃市场规模达1266.71亿元，结合历史趋势和发展环境等方面因素，贝哲斯咨询预测到2028年，全球金属玻璃市场规模预计将达6128.64亿元。开发新一代高性能的、突破现有尺寸限制的、低成本的、结构功能一体化的Fe、Cu、 Al、Mg基等金属玻璃体系是未来的发展趋势。中国已有十几年的金属玻璃基础和应用研究积累，有蓬勃发展的、最健全的制造业和较低的产业化门槛，因此，作为结构和功能一体化的金属材料，金属玻璃应用极有可能在中国取得突破性进展。金属玻璃电机铁芯可显著降低电机损耗，提高效率，解决了传统高频器件中因需配备散热装置而导致体积过大的问题，有望在电动驱动、高速主轴、航空发电机和军事领域发挥重要作用。非晶软磁材料有望促进第三代半导体在大功率、高频器件中的应用，进而推动5G基站、卫星通信、雷达航空、智能汽车等关键领域的发展。我们认为随着我国金属玻璃研发的不断深入，加之产业化不断推进，金属玻璃下游市场空间有望进一步打开，建议关注行业及相关公司进展。 3.风险提示 技术发展不及预期风险；下游需求不及预期风险；产业政策推进不及预期风险。 分析师声明 本报告署名分析师在此声明：我们具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格或相当的专业胜任能力，本报告所表述的所有观点均准确地反映了我们对标的证券和发行人的个人看法。我们所得报酬的任何部分不曾与，不与，也将不会与本报告中的具体投资建议或观点有直接或间接联系。 一般声明 除非另有规定，本报告中的所有材料版权均属天风证券股份有限公司（已获中国证监会许可的证券投资咨询业务资格）及其附属机构（以下统称“天风证券”）。未经天风证券事先书面授权，不得以任何方式修改、发送或者复制本报告及其所包含的材料、内容。所有本报告中使用的商标、服务标识及标记均为天风证券的商标、服务标识及标记。 本报告是机密的，仅供我们的客户使用，天风证券不因收件人收到本报告而视其为天风证券的客户。本报告中的信息均来源于我们认为可靠的已公开资料，但天风证券对这些信息的准确性及完整性不作任何保证。本报告中的信息、意见等均仅供客户参考，不构成所述证券买卖的出价或征价邀请或要约。该等信息、意见并未考虑到获取本报告人员的具体投资目的、财务状况以及特定需求，在任何时候均不构成对任何人的个人推荐。客户应当对本报告中的信息和意见进行独立评估，并应同时考量各自的投资目的、财务状况和特定需求，必要时就法律、商业、财务、税收等方面咨询专家的意见。对依据或者使用本报告所造成的一切后