金属与材料行业研究周报：金属玻璃—新型非晶态合金，显双重优势

行业报告 | 行业研究周报 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 1 金属与材料 证券研究报告 2024 年 03 月 17 日 投资评级 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 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 行业走势图 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、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。 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。 -37%-31%-25%-19%-13%-7%-1%5%2023-032023-072023-11金属与材料沪深300 行业报告 | 行业研究周报 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 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(bulk metallic glass)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(metal mold casting)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—10 mm 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 8 cm，最低临界冷却速率低于 1 K/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 行业报告 | 行业研究周报 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 3 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