功能材料-第四章-非晶态合金

第四章非晶态合金非晶态合金——以极高速度使熔融状态的合金冷却，凝固后的合金结构呈玻璃态。俗称“金属玻璃”。1960年，美国科学家皮·杜威等首先发现某些贵金属合金（如Au-Si合金）在超快速冷却（冷却速度达100万度每秒）情况下可凝固成非晶态合金。4.1非晶态合金的结构4.2非晶态材料的制备4.3非晶态合金材料4.4非晶态合金的性能及应用表1各种散射试验比较20406080100▼▼▼★★★◆◆◆▼▼▼2θ(degree)▼Cu◆Cu2O★MoSi2多晶体单晶体非晶非晶态结构的基本特征：（1）原子排列短程有序，但长程无序；（2）热力学不稳定，存在向晶态转化的趋势，即原子趋于规则排列。非晶态结构模型：1.微晶模型该模型认为非晶态材料由“晶粒”非常细小的微晶粒组成，这些晶粒只有几埃到几十埃。微晶内的短程有序结构与晶态相同，但各个晶粒的取向是杂乱分布的，形成长程无序结构。2.拓扑无序模型该模型认为非晶态结构的主要特征是原子排列的混乱和随机性，强调结构的无序性，而把短程有序看作是无规则堆积时附带产生的结果。无序密堆硬球模型随机网络模型非晶态形成条件：结构判据动力学判据原子的几何排列、原子间的键合状态、原子尺寸等考虑冷速和结晶动力学之间的关系图3纯Ni,Au77.8Ge13.8Si8.4,Pd82Si18,Pd77.5Cu6Si16.5的C曲线图4几种非晶态合金的CCT图及TTT曲线制备非晶材料的方法：物质的三态从气态制备非晶从液态制备非晶从固态制备非晶真空蒸发溅射化学气相沉积等液体急冷法粉末冶金法其他现代方法辐照法离子注入法冲击波法真空蒸发法在真空中（~1.33×10-4Pa）将材料加热蒸发，所产生的蒸气沉积在冷却的基板衬底上形成非晶薄膜。适合制备非晶态纯金属或半导体。图5气相沉积设施示意图该方法操作简便，但成分难控、易夹带杂质。溅射法在真空中通过在电场中加速的氩离子轰击阴极，使被激发的物质脱离母材而沉积在液氮冷却的基板表面上形成非晶态薄膜。适合制备非晶态半导体、磁性材料。图6溅射制薄膜设施示意图该方法制备的薄膜致密，与基板结合较好，但易混入杂质，基体温度高。化学气相沉积法多用于制备非晶态Si、Ge、Si3N4、SiC、SiB等晶化温度较高的薄膜材料，不适于制备非晶态金属。液体急冷法即将液体金属或合金急冷获得非晶态的方法，可用来制备非晶态合金的薄片、薄带、细丝或粉末，适于批量生产，是目前实用的非晶态合金制备方法。图7液体急冷法制备非晶态合金薄片图8液体淬火法制备非晶态合金薄带图9非晶态合金生产线示意图粉末冶金法粉末冶金是用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。如果在烧结以后采用急冷的方法，就可以得到非晶材料。粉末冶金法制备非晶合金的缺点：1、由于合金硬度高，粉末压制的致密度受到限制；2、由于烧结温度不能太高（600ºC），要在粉末的晶化温度以下，因此最终产品的强度往往不及非晶本身的强度；3、有时采用粘结成型，粘结剂的加入会使大块非晶材料的致密度强度下降，而且产品的性能与粘结剂有很大关系。这些使得粉末冶金法制备大块非晶技术的应用不是很广泛。用能量密度比较高的激光或电子束（能量为100kW/cm2）辐照晶体材料表面（如金属），使表面局部熔化，然后以大于104ºC/s的速度冷却，即在晶体表面产生一层与基底同质的非晶薄层。辐照法将高能的非晶粒子直接注入固体材料的表面。固体可以是非晶，也可以是晶体；注入的非晶可以与固体材料本身相同也可不同。注入时，由于高能非晶粒子与固体材料中原子核、电子、中子等的碰撞会损失能量，故注入厚度有限。离子注入法适合制备大块非晶合金系的特征：（1）由三个以上组元组成；（2）主要组元的原子有12%以上的原子尺寸差；（3）各组元间要有大的负混合热。大块非晶的制备方法熔体水淬法金属模铸造法射流成型法高压铸造法吸铸法等第一类为类金属元素（或弱金属元素）与非金属元素的组合。类金属元素主要是周期表中ⅢA、ⅣA、ⅤA元素，非金属元素主要是ⅥA和ⅦA元素，它们能形成诸如氧化物、硫化物、硒化物、氟化物和氯化物等非晶态物质。第二类是类金属元素和金属元素的组合，金属元素则主要是过渡元素和贵金属元素，例如形成Pd-Si、Co-P、Fe-C等非晶态材料。第三类是金属元素和金属元素的组合，前者是ⅡA、ⅡB、ⅢB、ⅣB金属，后者是贵金属和稀土金属，它们形成诸如Gd-Co、Nb-Ni、Zr-Pd、Ti-Be等非晶态材料。易获得非晶态合金的共同特点：（1）组元之间有很强的相互作用；（2）成分范围处于共晶成分附近；（3）液态的混合热均为负值。特点：强度和韧性兼具，一般的金属这两者是相互矛盾的，即强度高而韧性低，或与此相反。同时耐磨性也明显地高于钢铁材料。应用：可制作轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维、刀具、各种元器件等。力学性能（高强度、高硬度和高韧性）表2非晶态合金的机械性能特点：所谓“软磁特性”，就是指磁导率和饱和磁感应强度高，矫顽力和损耗低。非晶态中没有晶粒，不存在磁各向异性，易磁化。目前比较成熟的非晶态软磁合金主要有铁基、铁-镍基和钴基三大类。应用：可作为变压器材料、磁头材料、磁屏蔽材料、磁致伸缩材料及磁泡材料等。软磁特性表4非晶态合金的软磁特性特点：耐蚀性远优于不锈钢，因为其表面易形成薄而致密的钝化膜；同时其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶粒、晶界、缺陷且不易产生引起电化学腐蚀的阴、阳两极。目前研究较多的是铁基、镍基、钴基非晶合金。应用：耐蚀管道、电池的电极、海底电缆屏蔽、磁分离介质及化工用的催化剂、污水处理系统中的零件等。耐蚀性能表5非晶态合金和晶态不锈钢在10%FeCl3·10H2O溶液中的腐蚀速率表6非晶态合金主要特性及应用