开题报告陶春

本科生毕业设计（论文）开题报告论文题目：氢对非晶合金形成能力的影响学院：材料科学与工程学院专业班级：材料成型及控制工程1103班学生姓名：陶春指导教师：董福宇开题时间：2013年3月25日21绪论.....................................................31.1非晶合金的历史研究及现状............................31.2非晶合金的应用和发展................................51.3非晶合金的主要制备方法..............................72氢对非晶合金的影响.......................................73研究目的和意义...........................................94本文主要研究内容.........................................95课题研究采用的方法和手段................................106课题研究的工作基础或实验条件............................107课程进度安排............................................108参考文献................................................101绪论材料是人类生存、社会发展、科技进步的基础，是推动社会发展的动力。每一种重要的新材料的发现、研究和应用，都将会给社会生产和生活面貌带来巨大改变，使物质文明的车轮向前滚动。而具有独特的物理、化学和力学性能的块体非晶合金问世以来，就一直受到人们广泛的重视和研究。块状非晶合金是90年代发展起来的一种新型亚稳态材料,它突破了传统甩带非晶的尺寸限制,可以作为工程结构材料使用,因此引起了人们对其性能研究的极大兴趣。块体非晶合金具有一系列的优异性能，比如屈服强度高、弹性应变极限大以及良好的耐腐蚀性能和优异的软硬磁学性能等，成为当今材料界的研究热点之一。因此，块体非晶合金在航空航天、兵器工业、精密机械及信息技术等方面均具有广阔的应用前景[1,2]。1.1非晶合金的历史研究及现状非晶态合金又称为金属玻璃，具有长程无序、短程有序的亚稳态结构特征。固态时其原子的三维空间型状呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内这种状态保持相对稳定[2]。1934年,历史上第一次报道德国物理学家Kramer用蒸发沉积法获得非晶态薄膜。1950年，Brenner等人用电沉积法制备出了Co-P及Ni-P非晶薄膜,主要用于做硬的耐腐蚀和耐磨涂层。1958年,Tumbull等人研究讨论了液体深过冷对玻璃形成能力的影响，揭开了通过连续冷却制备非晶合金的序幕。1960年，加州理工大学的Duwez教授及其同事发展了一种冷速高达106℃/s的快速凝固技术，采用该技术制备出仅有20µm厚的Au75Si25金属玻璃样品，这是第一次用人工的方法得到的真正意义上的金属玻璃。1969年，非晶合金的制备有了突破性的进展，陈鹤寿等人在含有贵金属元素Pd的具有较高非晶形成能力的合金中得到了直径1mm的球状非晶合金样品。1974年，贝尔实验室的Chen[3]在约103K/s的冷却速度条件下用Pb-Cu-Si熔体得到了具有毫米级直径的非金棒。其实在七十年代，非晶合金的研究在学术及应用上都是非常活跃的领域。人们研制出了很多不同体系和种类的非晶合金，为4非晶合金材料在科学和工程领域的应用积累了大量数据。这个时期，非晶合金材料主要采用液相急冷技术制备，临界冷却速率(Rc)大于104K/S，因此金属熔体只能以薄带、薄片(厚度通常局限在50μm以下)、细丝或粉末的形式冷却，以保证热量快速散出。冷却速率所导致的尺寸上的限制，使得非晶合金材料的许多优良特性在实际应用中不能充分发挥出来。这一时期制备的非晶合金材料主要作为一类优良的功能材料来使用。1982年，Turnbull及其同事采用B2O3熔剂包覆净化的方法制备出更大尺寸的Pd-Ni-P块体金属玻璃，该合金在冷却速度为10K/s的条件下就可以得到玻璃态。二十世纪八十年代，一系列与快淬技术完全不同的固态玻璃化技术被开发出来，如机械合金化、多层膜中互扩散形成玻璃、离子束混合等等。这些技术虽有利于人们对玻璃合金形成机制的理解，但是这些技术的出现并没有从本质上实现金属玻璃在尺寸上的突破。此后三维尺度在毫米量级的金属玻璃被称之为块体金属玻璃—BulkMetallicglasses(BMGs)。然而由于Pd属贵重金属，使得这类合金缺乏实际应用价值，因此人们对BMG的兴趣仅限于学术研究。后来最具代表性的Zr-Ti-Cu-Ni-Be合金体系[4,5]，非晶形成能力已经接近传统氧化物玻璃，最大直径可达十几厘米。2003年，橡树岭国家实验室的Lu和Liu使Fe基非金的尺寸从毫米级推进到厘米级最大直径可达12mm。2004年，Johnson在Pt基合金系中发现了具有高压缩塑形的块体非晶合金体系，他们研制的直径为3mm的Pt基合金的压缩塑形达到了20%，突破了过去块体非晶合金的压缩塑形一般小于2%的瓶颈。最近几年，金属玻璃又有了较大的发展。中国科学院物理研究所的汪卫华老师研究组做出了具有超大塑性的Zr基块体金属玻璃。清华大学的姚可夫老师研究组做出了超大塑性的Pd基块体金属玻璃。美国加州理工大学的W.L.Johnson教授制备出了具有拉伸塑性的非晶复合材料。瑞士苏黎世大学的J.F.Loffler教授发现金属玻璃在生物医用材料上具有独特的优势[6]。到目前为止[7,8]，已开发出来的多组元非晶合金包括La-、Mg-、Zr-、Ti-、Pd-、Cu-、Ni-、Fe-、Nd-、Y-、Ca-基等合金体系。目前，具有最好GFA的Pd40Cu30Ni10P20BMG合金，能够形成BMG的最低冷却速率为0.02K/s，最大玻璃样品直径可以5达到100mm。金属玻璃的出现虽然只有短短几十年的时间，却取得了飞速发展，总之，块体非晶合金以其优于传统晶态材料的物理化学性能，有望作为高性能结构、功能材料而得以广泛应用，并被期望以此为契机引发新轮的科学技术革命。1.2非晶合金的应用和发展非晶态合金独特的结构使其在机械、力学、化学、物理性能等方面优异于晶态合金。块体非晶合金不仅具有较高的强度、韧性、耐磨性和抗腐蚀性,而且在实验中还表现出优良的软磁性能、储氢能力、超导能力和低磁损耗等特性。非晶态合金具有极高的断裂强度和屈服强度,并兼备良好的塑性,可承受180°弯曲而不发生断裂,因此,是一种理想的塑性材料,可用于制造模具;而晶态合金很难同时具备这样好的性能。非晶态合金还可以通过改变成分和控制制备工艺条件等改善其力学性能,以获得超高强度的合金。因此,非晶态合金可用于水泥制品、轮胎、传送带、高压管的加固增强纤维、各种刀具等。图1非晶刀具由于非晶态的结构是长程无序,没有晶界,所以非晶态合金的化学性能和电化学性能的均匀性非常高,同时,非晶态合金是由液态合金急冷获得,所以不存在偏析、夹杂物和第二相,只有原子的短程有序排列,因此非晶态合金具有良好的抗局部腐蚀能力。用Zr基块体非晶合金制造的手术刀刀口异常锋利,不易钝化,性能稳定,使用寿命长;在整形外科领域,Zr基块体非晶合金被用来作为制造耐磨、耐蚀、高强度的人造关节和接骨板等的材料。块体非晶合金优异的吸放氢性能和抗腐蚀性能也使其成为燃料电池理想的储氢材料和电极支撑材料。6图2非晶电极材料由于原子的无序堆砌,没有晶界、位错等缺陷,块体非晶合金磁性材料具有高磁导率,高磁感、低铁损和低矫顽力等特性,而且无磁各向异性。非晶态合金可以形成一系列性能优良的软磁材料,如铁基、铁-镍基和钴基等块体非晶合金,广泛应用于电力、电子工业领域,高磁化强度的非晶态合金的磁损耗比其他已知的晶态合金低。采用铁基非晶合金作为铁心材料的配电变压器,其空载损耗可比同容量的硅钢心变压器降低60%～80%;非晶态合金的电阻率比同类晶态合金高,且电阻率温度系数较小为负数,故可以大大降低材料的涡流损耗[9]。图3非晶材料变压器和非晶带状材料块体非晶合金的发现，大大拓宽了金属玻璃的应用范围，目前非晶合金在微电子、精密光学、医疗器械、电子封装以及军事等领域具有广阔的应用前景。最近Chu[11,12]等用Pd基非晶合金制作了周期为600-1500nm的光栅，该光栅表面光滑，尺寸均匀，其光学性能可与Si母板相比。同时，块体非晶合金的研究也丰富和发展了有关凝固、合金化、相平衡、非晶态物理等理论。因此块体非晶合金的相关研究备受各国重视。图4非晶合金子弹和体育用具目前，对于非晶合金熔体的原子扩散行为的研究还存在很多问题亟待解决。理论方面，不同于固态金属的周期性排列和气体的完全无序状态，非晶合金熔体的结构具有不规则性和非完全随机的特征，这种复杂的结构使得关于非晶合金熔体原子扩散行为的理论研究进展缓慢。实验方面，由于对流、界面等效应的影响，以及缺乏某些相应的同位素，现有的非晶合金熔体原子扩散的实验数据还相当稀7少，精度也比较低[13]。为了更好地理解非晶合金熔体的原子扩散行为，我们需要开发出一些测量金属熔体自扩散系数和互扩散系数的技术手段以及建立较好的理论模型。1.3非晶合金的主要制备方法（1）快速凝固法［14］熔体急冷和深过冷是实现快速凝固的两条途径，前者以快速冷却为特征，而后者则可以是慢速冷却过程。（2）铜模铸造法该法是目前制备大块非晶合金最常用的方法。（3）熔体水淬法熔体水淬法属于直接凝固的一种，水淬法通常与熔融玻璃包覆合金法结合使用。（4）抑制形核法常用的抑制形核技术有落管技术、熔融玻璃净化技术、磁悬浮和静电悬浮及超声悬浮技术等。这种方法由于熔体在凝固过程中不与容器接触或软接触，从而消除了异质形核，有利于玻璃态结构的形成。（5）粉末冶金技术利用非晶态固体在过冷液相区内有效粘度大幅度下降的特性,施加一定的压力使材料发生均匀流变,从而复合为块体。（6）自蔓延反应合成法将混合粉末压制成粉末压坯，将压坯置于充氩气的反应容器内，采用连续CO2激光器在压坯一端点火，引发自蔓延反应。（7）定向凝固铸造法采用这种方法要控制定向凝固速率和固、液界面前沿液相温度梯度，而定向凝固所能达到的理论冷却速度可通过这两个参数乘积估算，这种方法适于制作截面积不大但比较长的样品。2氢对非晶合金的影响氢使晶体转变成非晶的过程称作氢致非晶化(HIA)。氢致非晶化的研究表明了氢的加入可以使一些金属间化合物转变成非晶相，在对多组元非晶合金的开发研8制过程中发现非晶的形成依赖于能否有效的抑制晶体相的形核和长大，而这些晶体相多为复杂的金属间化合物，由此可见如果将氢引入到一些多组元非晶合金中可能起到提高非晶形成能力的作用。氢致非晶合金低温阻尼特性的发现为空间飞行器所需的低温抗震性材料提供了一种不错的选择，同时也为非晶合金的应用开拓了新的方向，但是目前的氢致非晶合金尺寸多为微米级别，这限制了其在实际应用中的作用，因此未来能够开发出一种制备大体积的含氢非晶合金的方法是其能够应用的关键所在。本课题组发明了一种新的置氢技术，定义为液体置氢，该技术的实施过程是在氢气/氩气中熔炼合金，氢气分解并扩散进入合金液体进而达到置氢的目的[15]，利用该技术有望制备出大体积的含氢非晶合金，而通过控制氢分压的大小可以得到不同的置氢量。氢在金属中以间隙原子形式存在的特点，使其对一些金属材料具有辅助加工或改善产品性能的作用，这引起了人们极大的兴趣。由于非晶合金其特殊的结构，氢的加入也将会对非晶合金的结构及性能产生影响，因此将有许多未知现象等待人们的发现，同时近些年来开发的多种大尺寸块体非晶材料，也为研究氢对非晶材料结构和性能的影响提供了更多可能性。早期人们制备非晶合金主要是通过快速凝固的方法，通过大的冷却速度起到抑制结晶作用，从而得到非晶合金。而后人们通过多组元合金化的方法，开发了一系列的可以在较低冷却速度下制备的非晶合金，从而在非晶合金的