绿色非晶合金材料研发与智造

Group Leader:孙保安

Position

◆松山湖材料实验室绿色非晶合金团队负责人
◆中国科学院物理所副研究员

Research Direction

主要从事非晶合金材料的研发制备以及力学行为和结构机制的研究,涉及剪切带动力学行为、断裂过程和机制以及微观原子尺度的结构机制

Main Achievemnets

◆在包括Phys.Rev. Lett., Nature Communications, Prog. Mater. Sci., Acta Mater.等期刊发表SCI论文70余篇,总引用次数2000余次
◆2011年获中国科学院院长优秀奖
◆2017年获中国材料大会非晶与高熵合金分会杰出青年科学家奖
◆2018年获得国家自然科学基金委优秀青年基金的资助
◆2019年获国家自然科学二等奖

松山湖材料实验室创新样板工厂绿色非晶合金材料团队,负责人为孙保安研究员,博士,毕业于中国科学院物理研究所,师从中国科学院院士汪卫华,从事非晶合金材料的研发制备及力学行为研究十余年,现带领团队在松山湖材料实验室进行非晶合金材料的产业化研究。

现有全职员工5人,其中硕士3人,学士2人;客座博士研究生1名(华北电力大学)。

项目介绍

松山湖材料实验室绿色非晶合金团队专注于非晶合金材料的应用和产业化技术研发,目前已掌握了非晶合金材料成分设计开发、非晶合金带材以及块材的工业化成型技术和装备以及相关产品和器件的开发能力,研发出非晶合金高速电主轴电机、无线充电导磁片、高性能磁芯器件以及非晶合金谐波减速器等产品,搭建了非晶合金带材产品和块材产品的中试化生产线,初步具备了非晶合金材料以及相关产品批量化生产能力。

团队已在三个方向展开产业转化:

一、非晶合金柔性齿轮(谐波减速器)

谐波减速器已广泛应用于工业机器人领域,在机器人成本中占比达30%。中投顾问产业研究中心预测到2020年我国工业机器人减速器市场规模将超过40亿元,未来五年复合增长率约为30%,然而国内谐波减速器进口占比超过70%,谐波减速器国产化已经刻不容缓。绿色非晶团队依据非晶合金的优异力学性能,提出运用压铸技术一次成型非晶合金柔性齿轮,为谐波减速器国产化打开新局面。

图1 非晶合金柔性齿轮 

来源: Douglas C. Hofmann. Castable Bulk Metallic Glass Strain Wave Gears: Towards Decreasing the Cost of High-Performance Robotics.  Scientific Reports.2016

 

二、非晶/纳米晶合金磁芯:

纳米晶合金带材已广泛应用于智能电表、共模电感、无线充电片、磁屏蔽以及互感器等领域。2018年我国纳米晶产量超过1.7万吨,较2017年增加85%,2019年中国纳米晶产量为2.4-2.8万吨。目前纳米晶磁芯普遍饱和磁感应强度(Bs)较低,不利于器件小型化,且大都是人工密集型的小作坊生产模式,导致产品一致性差,人工成本高,资源消耗大。本团队探索高Bs值Fe基非晶合金成份的同时,设计一套卷绕-热处理-(固化)-装盒-测试全流程的自动化生产线,实现非晶/纳米晶带材的全流程工艺开发与产业化生产。

图2 纳米晶磁芯

三、非晶合金丝材

2015年全世界导丝用量约为6400万支,市场销售额为7亿美元。近年中国介入导丝每年消耗150万支,市场容量为2.7亿人民币,预计使用量将以每年20%的速度增长。现在使用的医疗导丝大多为不锈钢弹材质,不锈钢弹簧导丝生产技术难度大,技术壁垒较高,大部分导丝产品仍处于外资垄断的格局。本团队利用非晶合金优秀的力学性能,采用非晶合金微米丝来制备医疗介入导丝,相比于传统的不锈钢导丝来说,非晶合金导丝具有更高的扭控性和进入边支血管能力。这将是非晶合金丝材应用的一大突破,同时推动国内非晶合金丝材产业的进一步发展。

图3 导引导丝

来源:https://www.bostonscientific.com/en-US/products/guidewires/sentai-guidewires.html

 

绿色非晶合金团队目前在三个产业化方向均有合作单位,且已布局专利。团队在成立产业化公司的同时,契合国家发展新材料的战略规划。