液态金属

液态金属行业研究报告
第一节液态金属材料简述
1.1液态金属的定义
液态金属即非晶材料，是一种长程无序（短程有序）、亚稳态（一定温度晶化）、一定程度上的物理特性各向同性的金属材料，具有固态、金属、玻璃的特性，又称金属玻璃，具有高强度、高硬度、塑性、热传导和耐磨性等。

图1-1 液态金属具有长程无序结构
1.2 液态金属的特点
液态金属兼有玻璃、金属、固体和液体的特性，是一类全新性的高性能金属材料，具备很多不同于传统玻璃材料的独特的性质。

非晶材料具有高强度、高比强度、高硬度和高弹性形变等优点
Liquidmetal在表面光洁度上远远高于镁、铝、钛、钢等金属。

1)是迄今为止最强的金属材料（屈服强度和断裂韧性最高）和最软的（屈服强度最低）金属材料之一；
2) 具有接近陶瓷的硬度，却又能在一定温度下能像橡皮泥一样的柔软，像液体那样流动（超塑性），所以它又是最理想的微、纳米加工材料之一；
3) 液态金属的强度（1900Mpa）是不锈钢或钛的两倍，易塑形堪比塑料，兼具了钢铁和塑料的优势，可以塑性加工。

工艺余成本优势
优势劣势
加工工艺 1.相对于一般的高强度合金制备，它具有
净成形（Net-ShapeCasting）的特点，可
以避免繁琐的后期机加工。

复合材料熔点较低，不适合用于高温环境，比如蒸汽
机引擎部件等。

2.目前的制备的液态金属通常很薄，一般的锆-钛非晶合
金只有 2.5cm 厚度，暂时不适用于大型的结构部件
热敏塑性，可以用模具塑型，既简单又经
济，而且精度高
非晶合金的复合材料熔点低，避免了高温
对复合成分中的金属性质造成损害
无氧环境下成型，具有钝面的表面光洁度
成本基本上是一次净成型，且表面光洁度高，
省却大量的后加工；效率非常高，以宜安
科技自制的压铸设备为例，每台机可以实
现压铸600次/天，相比于CNC 加工数个小
时加工一件的效率相比，成本优势相当显
著，大约能降低一半的成本。

1.3 液态发展历程
第二节液态金属的制备方法
（1）甩带法
当前市场上应用数量最大的液态金属为条带式，目前采用该方法每年可生产几十万吨液态金属。

此方法是利用快速旋转的铜辊，将喷敷其上的液态金属熔体经快速凝固后甩离辊面，形成厚度约几到几十微米的非晶及微晶带材，用来生产非晶合金带材。

该法可以获得105-107K/s的冷却速率，是替代硅钢片制作变压器的Fe-基非晶带材的主要制备方法。

以安泰科技所生产的铁基非晶合金带材为例，是将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上，钢水以每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300℃的钢水降到200℃以下，形成非晶带材。

A 是熔体炉包，
B 是浇铸口，
C 是高速旋转铜棍，
D 是收集装置，
E 是自动卷带装置。

（2）压铸成型法
压铸成型为目前液态金属作为结构件所普遍采用的成型方式之一，具有生产效率高，成形性高等特点。

对于结构复杂的结构件尤其有优势，将传统的压铸技术与液态金属的材料性能很好的结合在一起，可以更加发挥出液态金属成型性强的特点。

适合于制作电子产品壳体，特别是超薄、小巧、轻便的3C产品。

由于液态金属对氧含量的敏感性较高，通常会采用真空压铸的方式。

以Liquidmetal所生产的钛-锆非金合金为例，是将熔融的钛、锆金属液体注入由塑料注塑机改装而成的液态金属注塑机中，在完全真空（防止氧化）的状态下迅速注塑、冷却成型。

（3）热压成型法
热压成型为近期热度较高的液态金属的成型方式。

热压成型的流程为“原材料”到“熔铸为具体成分液态金属材料”再到“模具成型”。

该成型的过程需要控制在过冷液相区（玻璃转变温度Tg 与晶化温度Tx 之间的温度范围）内，使此时具有超塑性的液态金属在一定压力的条件下在模具中成型。

该成型方式的特点在于通过设计与工艺的配合，可以采用热压方式直接获得最终的产品，而不需要或者较少的需要后处理的工序。

同时由于液态金属极好的拓印能力，在表面处理方面也节省了大量的成本，同时又可以获得表面纹理相对复杂的产品。

（4）吸塑成型法
苹果公司在八月底公布了一系列关于液态金属的专利，其中几篇显示其最近的研发方向包括液态金属类似吸塑成型的方式上。

通过工艺的控制，将液态金属部分加热成熔体以一定的速度与模具接触，使
接触面快速凝固成液态金属。

结合吸塑成型本身的工艺和优势来看，该加工方式非常适合液态金属的快速生产，同时有效的降低了压铸产品中砂眼和流痕等缺陷，或将成为后续主流的生产方式。

第三节液态金属的应用与市场
1.非晶合金带材变压器市场
铁基非晶合金具有优良的软磁性能，高有效磁导率，但电阻率远比晶态合金高，因此可大大降低变压器的损耗和重量，提高使用频率，非晶的软磁特性已经在变压器领域得到广泛应用。

采用非晶合金带材制造的变压器的空载损耗和空载电流非常低，相比传统的硅钢片变压器其空载损耗下降80%左右，空载电流下降约85%，是目前节能效果最理想的配电变压器。

图1 非晶带材基非晶变压器产品
表1 500kva型非晶变压器与S9硅钢变压器性能比较
产品种类空载损耗
/w
负载损耗
/w
年运行损
耗/kwh
年节约能
耗/kwh
初始投资
/元
20年节约
电费/元
非晶190 3891 13011 8091 70200 64728
硅钢S9 960 5100 21103 -- 54000 --
市场容量分析
年份201
1
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2010
需求量（万台）6.40 9.00 9.00 12.09 15.48 20.66 22.47 22.89 24.49 26.0
0 图1非晶变压器近十年需求量
近十年的总需求量达到168万台，按照每台6.5万元的价格，则十年非晶合金变压器合计的市场规模达到一千多亿元，其中带动的非晶带材总需求量达到130.55万吨。

2015 年国家电网计划投资4202亿元建设电网，同比增幅24%，投资金额创新高。

预计每年对非晶带材需求12 万吨以上，而国内龙
头安泰科技现有非晶带材产能为4万吨，剩余大部分需求仍需从日立金属购买，国内非晶带材目前还处于供不应求的状态。

2.3C市场
得益于液态金属的易成型，液态金属可以一次成型，不需要繁琐的后处理工序即可得到接近使用状态的产品，在工业化生产中可以提高生产效率，节省大量的成本。

性能优势
低熔点、超强
塑形能力均一非晶化
高屈服强度、
高硬度
优异的高强
度重量比
应用特点
易成型，易塑
性加工表面光滑，质感好，
耐磨损，抗腐蚀
不易破碎质量轻
表面光滑度达到原子级别
液态金属在消费电子领域的应用前景极为广泛，其中热门的有手机、可穿戴智能设备、笔记本电脑等。

随着液态金属技术的不断革新，它未来有可能逐渐替代现有的材料，成为继轻合金、工程塑料之后的消费电子产品第三代新材料。

3C设备2012 年（亿台）2013年（亿台）2014年（亿台）电脑 3.41 3.03 2.81 便携设备0.97 0.18 0.40 平板 1.20 1.84 2.63
手机17.44 18.10 19.05
总和23.12 23.15 24.89
随着苹果在iPhone、iPad系列中大规模使用金属中框和金属外壳，市场规模快速增长，到2013年合计超过90亿美元。

根据IDC 数据，未来几年受印度、巴西等国市场驱动，预计2017年全球的智能手机出货量将达到16.86亿部。

如果按照智能手机的金属外壳渗透率30%测算，2017年仅智能手机对金属部件的需求规模为108亿美元，年复合增速将达到14.78%。

可见，搭载在这些快速增长的3C 产品上，液态金属零配件的前景非常广阔。

1.1.3 液态金属的主要应用领域
液态金属由于具有独特的结构和特性，自从1959 年被发现以来一直被广泛关注，取得了丰厚的研究成果，已经成为当前最活跃的金属材料领域之一。

经过多年的推广，液态金属已经广泛应用在电子产品、航空航天、运动产品、医疗器械和军事领域中，目前在消费电子方面取得较大应用。

液态金属是国内少数具备全球领先水平、符合“中国制造2025”方向的新材料品种，战略性较强。

液态金属是轻合金的颠覆性新材料，产业化潜力巨大，有望在3C 领域率先放量（近期在美国发布的Turing 加密手机即将液态金属作为手机外壳），汽车、医疗、航空航天、军工、环保装备等领域也大有可为。

液态金属：向3C 产品结构件进军。

液态金属具有高比强度、高硬
度、高耐磨性以及轻薄小巧、光洁度高的独特优势，有望成为新一代3C 产品结构件材料，且近期苹果与Liquidmetal 的相关合作催化剂不断。

宜安科技作为A 股唯一的3C 液态金属标的，主业向3C 领域转型渐入佳境，业绩稳增，且液态金属有望在明年正式供货，
优点可以概括为三方面，一是性能优势，即高强度，高硬度，
具有极强的耐磨性和耐腐蚀性；二是工艺优势，即容易塑型，可以通过注塑、压铸等工艺得到理想的形状，轻薄小巧、精度较高，而且由于是在完全真空状态下完成塑型，表面的光洁度非常高；三是成本优势，即由于表面光洁度好，不需要繁琐的后加工，节省了工艺成本。

缺点也不能忽视，一是从性能上讲，由于其高强度、高硬度，使得其弹性较差，不适合用于需要柔韧性的部件；同时，在长期的高强度负载环境中，液态金属容易出现裂纹扩展，不适合做大型承压的结构材料。

二是从工艺制备上看，复合材料熔点较低，不适合用于高温环境，比如喷气式飞机引擎部件等；而且，目前的制备的液态金属通常较小、较薄，一般的锆-钛非晶合金只有2.5cm 厚度，暂时不适用于大型的结构部件。

当前最易进入的市场是手机、平板电脑以及可穿戴电子设备的零配件领域。

通过业内专家了解，目前液态金属最容易进入的市场是手机卡槽、平板电脑或超级本的转轴，以及可穿戴电子设备的零配件。

由于液态金属具有轻薄小巧、耐磨、抗刻划的核心优势，在这些小型
配件方面具有较高性价比，对现有的不锈钢、塑胶材料形成有力替代，这将为液态金属制品开启巨大的需求空间。

重点推荐公司（上市公司）
目前，我国具非晶合金变压器生产能力的厂商约50 余家，包括置信电气、中电电气、北京科锐、特变电工、山东达驰、顺特电气、江苏华鹏、特变电工、杭州钱江电器集团、天威保变和西变等均具有了非晶合金变压器的生产能力。

虽然国内具备变压器生产能力的厂商已具一定数量，但。

置信电气
置信电气引进GE的先进技术，在国内实现非晶合金变压器的规模化生产，一直主宰并引领国内非晶合金变压器产业的发展，已经挂网运行的非晶合金变压器共有10 余万台，占据国内非晶合金变压器
约70%的市场份额，处于主宰行业的龙头地位。

尽管非晶变压器市场进入者较多，但具千台以上年产能的厂商数量较少，置信电气的龙头地位难以撼动，主要原因在于非晶合金变压器具有较高的技术门槛，以及对上游非晶带材的依赖。

日立金属
国际上非晶合金宽带材最大生产厂商为日本日立金属，于2003年收购美国霍尼维尔公司的非晶金属-Metglas 业务部后，成为世界上最大的非晶材料生产商。

其在母合金冶炼、超微晶带材喷带、铁芯处理等领域处于世界领先水平。

安泰科技
安泰科技经过多年的技术积累，公司的非晶带材生产能力从百吨级到2009年的万吨级生产线投产，进而2010年的第二期3万吨生产线投产，公司现有非晶带材产能4万吨，已经成为全球第二家能够大规模生产非晶带材的公司，打破了日立金属在此领域的垄断地位。

公司于2013年8月完成了国产配电变压器用铁基非晶带材生产制造工艺技术及装备技术的优化，开发了性能优异的新一代非晶带材，其性能达到了日立金属带材的同等水平，同时开发试制出了世界上最宽的配电变压器用铁基非晶带材。

今年公司新增 1.2 万吨（目前产能 4 万吨）非晶带材项目，预计2016 年达产，总产能达到5万吨，将进一步抢占该领域市场份额。

宜安科技
公司于2010 年开始研发非晶材料，非晶合金精密结构件是近年来公司所取得的重大研发创新突破，具有良好的市场前景和较高的技术壁垒。

公司非晶合金产品优势突出，已逐步实现了量产，是行业内极少数实现液态金属精密结构件在消费电子领域商用的供应商之一。

公司于 2 月10 日对外公告拟非公开发行股票募集资金，其中将有 3 亿元用于液态金属精密结构件产业化扩产项目。

项目建设期约为18 个月，完全达产后，预计可实现年收入约7 亿元、年净利润约9450 万元，具有较好的收益及投资回收能力。

宜安科技在液态金属方面与中科院深度绑定，紧握材料成分、工艺和设备三大核心技术，牢牢掌控产业全球制高点。

同时与深赛格(000058.SZ亚洲规模最大的综合类电子市场）公司合作，有力支持液态金属面向3C 类企业的推广和对接，提升下游接受度。

最新进展情况
匹兹堡大学（University of Pittsburgh）机械工程与材料科学系教授Scott X. Mao成功用单原子金属造出“玻璃”，这一工艺的关键是采用了一项新技术——在原位投射电子显微镜下进行纳米级冷凝。

（Formation of Monoatomic Metallic Glasses Through Ultrafast
Liquid Quenching（Nature））
由于非晶合金在能量上处在亚稳态，如何克服材料的弛豫和老化是非晶合金面临的瓶颈问题。

中科院物理所汪卫华
发展出将非晶合金放在液氦或液氮浸泡，之后快速升温至室温并保持几分钟，如此多次循环，使得合金发生“恢复效应”，大大增强其抗老化能力。

（Nature 524,200-203 (2015)）
耶鲁大学的工程师发现一种独特的、可以广泛的适用于各种纳米金属玻璃材料制备的方法。

这种制备方法通过将新材料以一定的方式排列而得，可以应用于燃料电池、生物植入物等诸多领域。

耶鲁大学机械工程和材料科学的教授，同时也作为联合作者在Nature Communications上发表过文章的Jan Schroers 说：“纳米制造是人类
一项伟大的进步，使得人们现在可以完全的利用各种手段来改变整个化学界的命运。

”
Schroers和他在耶鲁大学的研究团队花费了数年的时间，利用几种有限的金属合金体系来研究纳米金属玻璃材料（一种复杂的、纳米尺度上制备的多元合金）。

这种材料可以像塑料一样经过制模生产出来。

从手表到手机壳，它的应用无所不在。

在他的论文中，Schroers利用新方法将玻璃基合金广泛地用于制造纳米金属玻璃材料。

制备过程为将材料以蒸气形式沉积到模具上，在纳米尺度上控制合金的大小、形状和成分。

Schroers 说：“之前的研究中，我们已经利用某种合金制备出直径最小为10 nm 的材料，即相当于人类头发直径的1/10000。

现在，利用这种新方法，我们可以制造出纳米结构大小的、复杂的、种类广泛的合金。

”
金属玻璃的进一步研究使得金属玻璃材质的使用更加广泛化。

这可以为包括燃料电池在内的制造商们提供更宽泛的设计范围，他们可以采用生物相容性、温度稳定、防水材料进行金属玻璃材料的制备。

Schroers 说：“就像之前人类只用木头建造船只，而现在可以使用任何材料建造船只一样。

”
据悉，全球首款液态金属手机Turing Phone在九月份开始正式接受预定，且开放预定的区域包括了中国，机身材质采用“Liquidmorphium”的液态金属，由东莞宜安科技股份有限公司董事长李扬德教授和材料
科学家Atakan Peker 博士共同研发而成，比钢和钛都要更坚固。

液态金属的应用有望成为硬件创新的引领者，并带动电子产品的更新换代。