文档介绍：1
非晶合金(Amorphous alloy)
非晶合金的发展概况
非晶合金的结构
非晶合金的形成
非晶合金的性能
非晶合金的应用
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(1) 非晶合金的概念
非晶态是指物质内部结构中原子呈长程无序排列的一种状态。目前,非晶态物质在自然界中占据了很大的比例,从传统氧化物玻璃、卤化物玻璃和硫属化合物玻璃,到非晶态半导体,再到非晶态合金,非晶态材料已经成为支撑现代经济的一类重要工程材料。非晶合金就是这类特殊的非晶态材料,其原于排列呈短程有序而长程元序状态,类似于普通玻璃的结构,因而也称为金属玻璃。
各种新型非晶态金属具有优异的力学特性(强度高、弹性好、硬度高、冲击韧性好、耐磨性好等),电磁学特性(优异的软磁性能),高的电阻率、化学特性(稳定性高、耐蚀性好等),电化学特性及优异的催化活性,已成为人类发展潜力很大的新材料。
图1 各种材料性能对比
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非晶态金属合金按组成元素的不同可分为以下两大类:
1)金属-金属型非晶态合金这类非晶态合金主要是含Zr,如Cu-Zr、Ni-Zr(或Pd、Ta、Ti)、Fe-Zr、Pd-Zr、Ni-Co-Zr(或Nb、Ta、Ti)、Ni(和(或)Co)-Pt等。
2)金属-类金属型非晶态合金这类非晶态合金主要是由过渡金属与硼和(或)磷化合物等类金属组成的二元和三元甚至多元的非晶态合金,如Fe72Cr8P13C7、Ni40B43等。由于类金属的加入,显著增加了金属形成非晶态结构的热稳定性。如少量稀土金属的加入使 Ni-P合金的热稳定性提高。
(2) 非晶合金的产生与发展
1934年,德国人克雷默采用蒸发沉积法首先发现了附着在玻璃冷基底上的非晶态金属膜。1947年,美国标准计量局的A. Brenner用电解和化学镀法首次制备出了Ni-P非晶态金属膜,但没有引起重视。
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1960年,加州理工学院Duwez等采用液态金属急冷的方法制备细晶粒合金时偶然得到了非晶态金属。与此同时,前苏联的Miroshnichienco和Salli也报道了制备非晶态金属的相似装置和结果。金属熔滴喷射到冷基板上,分散成薄膜从而快速凝固,这一技术又称喷射冷却,它可产生大于106K/s的冷却速度。
1969年,Pond和Maddin《关于制备一定连续长度条带技术》的发表带来制备非晶合金的决定性的发展。这一技术为大规模生产非晶合金创造了条件,激发了人们研究开发非晶合金的浓厚兴趣。
通过将液态合金急冷的方式制备亚稳态非晶,冷却的速率达105~106
K/s,这就限制了非晶材料的厚度,只能生产非晶合金厚度约为几十到几百个微米的薄带。而且用途也主要局限于生产转换磁心和磁敏感元件。
20世纪90年代,将冷却的速率降到只有1~100K/s,才生产出了均匀的块状非晶,现在非晶铸块的厚度可达到几十厘米。但是由于数量的限制,到目前为止对块状非晶的研究还是比较少。
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目前,非晶态金属材料在制备和应用领域都取得了极大的进展。美、日等发达国家非晶合金的生产已进入大批量、商业化阶段,广泛应用于电力、电子及其他领域。
1976年,我国开始非晶态合金的研究工作,非晶态合金材料走过了从实验室材料工艺研究到百吨级中间试验的阶段,如今,中国非晶态合金的科研开发和应用能力已经达到国际先进水平,共取得100多项科研成果和20多项专利。
2000年,千吨级的非晶带材生产线成功喷出了220mm宽的非晶带材(目前美国生产的非晶带的最大宽度为217mm),其表面质量良好。
我国现在正致力于大块非晶合金的研究和开发,并在非晶形成的机理方面取得了长足的进步。根据相关机理,采用吸铸法已制备出直径达30mm的Zr基非晶合金,而对Pd–Ni-Cu-P的尺寸已达72mm。
我国还制定了非晶态金属的国家标准,包括28个牌号,初步形成系列化和标准化。
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新型非晶态材料不断涌现,如快冷铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、铁合金、镍合金、钴合金、快冷金属间化合物、快冷零维材料、快冷高Tc超导材料等。到目前为止,我国已生产出大量漏电开关,用非晶合金系列制作了小功率脉冲变压器和500kV大功率变压器,并将非晶合金应用到磁头、磁放大器、磁分离、传感器、电感器件、磁屏蔽等方面。
非晶态金属材料的发展还与纳米材料的发展密切相关,通过大块非晶合金的晶化可制备有特殊性能的全致密、颗粒小(5~10nm)、界面清洁的三维大尺寸块状纳米金属合金材料。
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非晶态材料许多优异的物理和化学性能与其微观结构有关。在非晶态金属中,最近邻原子间距与晶体的差别很小,配位数也接近,但是,在次近邻原子的关系上就有显著的差别。而各原子之间的结合特性与晶体并无本质的变化。
(1) 非晶合金的结构特征
1)短程有序和长程无序性晶体