非平衡材料
非平衡等离子体
非平衡等离子体
非平衡等离子体是指在一定条件下，电子、离子、原子、分子等粒子之间的能量和动量分布不均匀的等离子体。
这种等离子体的特点是具有高度的非线性、非平衡和非稳态性质，因此在物理学、化学、材料科学等领域中具有广泛的应用。
非平衡等离子体的形成与外部能量输入有关。
例如，当高能电子或离子与气体分子碰撞时，会产生电离现象，形成等离子体。
此外，强电场、高温、高压等条件下也能形成非平衡等离子体。
非平衡等离子体的研究对于理解宇宙中的等离子体、开发新型能源、制备新材料等方面具有重要意义。
例如，在核聚变反应中，等离子体的非平衡性质对于反应的稳定性和效率有着重要影响。
在等离子体技术中，非平衡等离子体的产生和控制是实现等离子体加工、等离子体喷涂等技术的关键。
非平衡等离子体的研究也涉及到许多基础科学问题。
例如，等离子体中的电子、离子、原子、分子等粒子之间的相互作用、能量传递、动量传递等问题，都是非平衡等离子体研究的重要内容。
此外，非平衡等离子体的数值模拟和实验研究也是该领域的热点问题。
非平衡等离子体是一种具有重要应用价值和基础科学意义的等离子体。
随着科技的不断发展，对于非平衡等离子体的研究将会越来越深入，为人类社会的发展带来更多的机遇和挑战。
非平衡等离子体
非平衡等离子体非平衡等离子体是一种包含高度激发粒子的物质。
在这种物质中，电子和离子的温度不同，而且它们之间的动能分布不同。
这意味着某些粒子比一般情况下更加活跃，因为其能量非常高，而导致物质发生一系列非常重要的物理化学反应。
非平衡等离子体通常由电离作用产生，其中气体中的原子和分子通过能量很高的电子或其他粒子来失去一个或多个电子，而转变成带正电荷的离子和自由电子。
非平衡等离子体的特点主要表现在以下几个方面：1. 储存能量：非平衡等离子体可作为电磁辐射蓄能器。
由于自由电子发射和吸收辐射，非平衡等离子体能够有效储存电磁辐射能，并可将其释放出来。
2. 高能反应：非平衡等离子体中的离子和原子速度非常高，这意味着它们之间的碰撞会导致非常高能量的反应。
这些反应可能包括解离、电离、激发等。
3. 选择性反应：由于不同分子、原子和离子间的能级差异，非平衡等离子体可针对特定的化学键和化合物进行选择性反应。
4. 温度不平衡：非平衡等离子体的电子和离子温度不同。
电子温度远高于离子温度，电离作用产生的自由电子具有高能量、快速迁移和较长的寿命，而离子只有较低的能量和速度。
这种温度不平衡在很多方面都会影响非平衡等离子体的特性和化学反应。
由于非平衡等离子体具有许多优异的特性，它在不同领域内应用广泛，包括：1. 清洗和表面改性：非平衡等离子体可用于清洗和表面改性，例如在制造和加工超薄膜、光电元件和微电子器件时，对于处理表面附着物和使表面更稳定和更粘附性。
2. 半导体和纳米材料制造：非平衡等离子体与气相反应结合，可进行半导体和纳米材料的制造。
例如，使用非平衡等离子体在材料表面上生成原子、分子和离子束，以改变材料的性质，如表面粗糙度、形貌等。
3. 医疗：非平衡等离子体也可以在医疗领域中用作微创手术、杀菌剂或医疗诊断工具。
例如，非平衡等离子体消毒方法抑菌效率高，对纳米色素凝胶杀菌效果显著，对于艾滋病、乙肝等病毒的杀灭也有一定作用。
4. 环境治理：非平衡等离子体可以在环境治理方面发挥重要的作用。
非平衡态材料的热塑性挤压合金化制备
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热力学中的非平衡态的稳定性分析
热力学中的非平衡态的稳定性分析热力学是研究能量转换和能量流动的科学，它研究系统在平衡和非平衡状态下的性质和变化。
其中，非平衡态的稳定性一直是一个备受关注的问题。
本文将从热力学的角度来分析非平衡态的稳定性，并讨论其相关的理论和实际应用。
一、非平衡态的定义与特点在热力学中，平衡态是指系统的宏观性质不随时间的变化而改变的状态。
而非平衡态则是指系统的宏观性质随时间的变化而发生改变的状态。
非平衡态的主要特点包括以下几点：1. 非平衡态的系统存在能量流动：非平衡态系统与外界环境之间存在能量的交换和转换过程。
这种能量流动导致系统处于非稳定状态。
2. 非平衡态的系统存在内部耗散：非平衡态系统内部存在能量的转化和损失。
这种内部耗散为系统从非平衡态向平衡态演化提供了动力。
3. 非平衡态的系统处于稳态：虽然非平衡态系统的宏观性质随时间变化，但往往会趋于某种稳定的状态。
这种稳态可以是周期性的，也可以是一种稳定的运动形式。
二、非平衡态的稳定性分析方法热力学中非平衡态的稳定性分析主要依靠线性稳定性分析和非线性稳定性分析两种方法。
1. 线性稳定性分析线性稳定性分析是一种基于扰动理论的方法，它假设系统从平衡态出发在干扰下发生微小的偏离。
在分析中，通过计算系统在偏离后的响应来评估系统的稳定性。
这种分析方法可以得到系统的稳定性界限和临界条件。
2. 非线性稳定性分析非线性稳定性分析是一种更为复杂的方法，它考虑了系统在非线性条件下的稳定性。
非线性稳定性分析依靠数学模型和计算机模拟等工具，通过确定系统的极值点和临界点，以及系统在这些点附近的行为来评估系统的稳定性。
三、非平衡态的稳定性在实际应用中的意义非平衡态的稳定性分析在实际应用中具有重要的意义，尤其在工程领域中更加突出。
以下是两个实例：1. 热力发电厂运行的稳定性保障热力发电厂是利用燃煤或其他能源产生高温高压工质，通过热力机械装置进行能量转换的系统。
为了保证发电厂的安全运行，需要对非平衡态的稳定性进行充分的分析和评估。
非平衡载流子准费米能级概念
非平衡载流子准费米能级概念1. 概念定义费米能级是描述在热平衡状态下，半导体材料中的载流子分布情况的一个重要概念。
在热平衡状态下，半导体中的电子和空穴遵循费米-狄拉克分布，即满足Boltzmann分布。
费米能级是指在零温下，半导体材料中所有能级被填充的电子或空穴的能量最高的那个能级。
在平衡状态下，费米能级对应的能量被称为平衡费米能级。
然而，在非平衡状态下，例如在外加电场或光照下，载流子的分布会发生变化，此时费米能级也会发生变化。
非平衡载流子准费米能级是指在非平衡状态下，半导体材料中的载流子分布所对应的能量最高的能级。
非平衡载流子准费米能级与平衡费米能级的差值称为费米能级偏移。
2. 重要性非平衡载流子准费米能级的概念在半导体物理和器件工程中具有重要的意义。
它可以帮助我们理解和描述半导体器件在非平衡状态下的行为，如光电导、光电流、光伏效应等。
以下是非平衡载流子准费米能级概念的几个重要应用和意义：2.1 光伏效应光伏效应是指当半导体材料受到光照时，产生的光生载流子会导致载流子浓度的变化，从而改变费米能级分布。
非平衡载流子准费米能级的概念可以帮助我们理解和描述光伏效应的发生机制。
在光照下，光生载流子的浓度会增加，进而使得非平衡载流子准费米能级发生偏移。
这种偏移会导致电子和空穴的浓度差异，从而产生光生电流。
2.2 光电导光电导是指当半导体材料受到光照时，其电导率会发生变化。
非平衡载流子准费米能级的概念可以帮助我们理解和描述光电导的现象。
在光照下，光生载流子的浓度增加会导致非平衡载流子准费米能级发生偏移，进而改变电子和空穴的浓度分布。
这种浓度分布的变化会导致电导率的变化，从而产生光电导。
2.3 光电流光电流是指当半导体材料受到光照时，产生的光生载流子流动形成的电流。
非平衡载流子准费米能级的概念可以帮助我们理解和描述光电流的产生机制。
在光照下，光生载流子的浓度增加会导致非平衡载流子准费米能级发生偏移，进而改变电子和空穴的浓度分布。
非平衡凝固新材料_2013-2014秋_课件-2
During the solidification of materials that crystallize, the atomic arrangement of crystallized materials changes from a short-range order (SRO) to a long-range order (LRO). Of all the processing techniques used in the manufacturing of materials, solidification is probably the most important.
In general, it is the cooling rate during solidification that has the single most important influence on the microstructural refinement. However, in some instances the degree of undercooling prior to crystallization is important, and the postsolidification cooling rate can affect the resultant microstructure through solid state diffusion and coarsening processes.
It has been well established that metallic liquids can be cooled far below their equilibrium melting temperatures (undercooled) without crystallization, signaling a large barrier to the formation of the ordered phase. • Liquid metals have a strong ability to persist for a significant time against crystallization below their melting temperature. To explain this suprising phenomenon, Frank hypothesized that the local atomic structures of these undercooled liquids are actually quite different from those of crystal phases, containing a significant degree of icosahedral order that is incompatible with the extended periodicity of the crystal. Such structural differences must create a barrier to the formation of crystal phases, explaining the observed undercooling behavior.
材料力学中的非平衡态现象分析
材料力学中的非平衡态现象分析第一章引言材料力学是研究材料在力的作用下的变形与破坏行为以及固体结构、热力学性质的学科。
非平衡态现象是材料力学中的重要研究方向之一，主要指热力学方面的非平衡态现象。
在材料失去平衡状态时，会产生各种不同的现象，包括固体的塑性变形、材料的流动和裂纹扩展等。
这些现象与材料的应力和应变分布有着密切的联系，因此对非平衡态现象的深入研究能够进一步揭示材料的本质、特性和行为。
本文旨在探讨材料力学中的非平衡态现象的研究现状、分析方法和应用前景。
第二章非平衡态现象研究现状2.1 塑性变形固体的塑性变形是材料力学中研究非平衡态现象的重要方向之一。
固体在载荷下受力变形，常被认为是由于分子、离子、电子、原子等在空间中的相互作用而实现的。
当应力达到材料的屈服强度时，材料发生塑性变形。
塑性变形是非可逆的、局部的和不规则的，并且常伴随着能量损失。
塑性变形的研究对于揭示材料的塑性特性、应力场分布、力学行为等方面有着重要意义。
2.2 流动现象流动现象是材料力学中非平衡态现象的另一个重要方向。
在三维空间中，流体分子之间相互作用力的传递会导致流动现象的出现。
流体分子之间相互作用力的传递通常是随机和非规则的，这决定了流动是不可逆的和不稳定的。
流动现象在材料力学中的研究对于揭示材料的流态输运特性、材料形变和失稳行为等方面有着重要意义。
2.3 裂纹扩展裂纹扩展是材料力学中非平衡态现象的另一重要方向。
裂纹扩展是指裂纹在材料中扩展的过程。
材料受到载荷时，发生应力集中，导致材料中出现裂纹。
裂纹在加载的过程中不断扩展，导致材料的变形和破坏。
裂纹扩展的研究对于揭示材料的断裂特性、疲劳寿命等方面有着重要意义。
第三章非平衡态现象分析方法3.1 经典力学分析经典力学分析是材料力学中非平衡态现象分析的基本方法。
经典力学可以通过对材料受到的外力、内力、应力和应变进行建模和分析，从而揭示材料的力学行为和非平衡态现象。
经典力学分析的主要方法包括有限元法、应力相似法、材料力学参数等。
非平衡统计物理
非平衡统计物理
非平衡统计物理是研究非平衡态统计规律的一门学科，它的研究对象包括固体、液体和气体等各种物质。
在非平衡态下，热力学量不再具有平衡态的性质，例如温度、压力、能量等，而是会出现随时间变化的复杂行为。
因此，非平衡统计物理在现代物理学中占据了重要地位。
研究非平衡态下的固体材料，需要考虑如何描述固体的应变和应力之间的关系。
非平衡态下，固体的应变和应力之间存在远离平衡态的非线性关系。
这些非线性关系可以用应变速率和应力张量表示，表明非平衡态下固体材料的物理行为是非常复杂的。
液体和气体的非平衡统计物理研究主要是关于非平衡态下的输运问题。
液体和气体中的分子在非平衡态下具有不同的速度分布，这些速度分布可以通过输运方程描述。
液体和气体中的分子之间存在相互作用，这些相互作用会导致分子的速度分布出现非平衡现象。
在非平衡态下，物质的输运性质也会发生变化。
例如，固体的热导率、液体的粘度和气体的导热性等都会受到非平衡态的影响而发生变化。
因此，非平衡统计物理的研究可以为材料科学、天体物理学和生物物理学等领域提供了很多有价值的理论工具。
总之，非平衡统计物理研究对于我们理解物质在非平衡态下的行为和性质具有重要意义。
目前，随着计算机技术的不断发展，非平衡统计物理研究也得到了快速发展，并在很多领域得到了广泛应用。
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稳态、亚稳态、非稳态
4.1 非晶合金
4.1.1 基本概念
晶体：原子、离子或分子按照一定的空间顺 序排列而成的固体。例如食盐、明矾、金属 等。 非晶：不具有晶体结构的固体。
4.1.1 基本概念
过冷液体：冷却速度很快，不能实现从液相 到固相的转变时，在凝固点以下仍能够保持
液相结构的物质形态。
非晶合金的种类
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
过渡族金属 / B、C、Al、 Si等 过渡族金属的左 / 过渡族 金属的右
金属（Mg、Ca、Sr） / 金属（Al、Zn、Ga）
4.1.2 非晶合金的制备方法
液相凝固控制法： 薄带、细丝、粉末
气相凝缩控制法： 薄膜、超细粉 固相反应控制法： 粉末（固相扩散、 气体吸收）
在工频中大量使用，成本逐渐向硅钢接近。纳米晶合金在
中高频段性能远高于锰锌铁氧体，解决批量生产和成本问 题之后，将成为中高频电源变压器的首选材料。纳米晶合
金在某些抗电磁干扰滤波器已经代替镍锌铁氧体，今后还
会扩大使用范围。复合纳米磁性材料在100mhz至10ghz将 与镍锌铁氧体争夺使用领域。
我国非晶合金材料基本实现产业化
4.1.4 应用与将来展望
特性
强韧性
有希望得到应用的领域
线、导轨、弹簧、应变传感器、复合 件 油净化过滤、化学装置、医疗器械 磁性屏蔽、磁头、耳机磁芯、磁过滤 振子、延迟线、传感器元件 氦气液面计、磁场传感器
耐腐蚀
软磁 磁滞伸缩 超导
非晶合金干式变压器
非晶合金干式变压器,具有如下三大突出优点
原子的易动度随温度的降低而下降，进一步 冷却，得到固体状态、液体结构的物质。
基本概念
临界冷却速度：为了得到非晶材料，在液 体材料冷却过程中，不发生晶体化的最小 冷却速度。
一些物质的临界冷却速度
成分 Ni Pd82Si18 Fe83B17 实测 （K/s） －－ 104.6 106 计算 （K/s） 1010.5 104.5 106
一、性能好---损耗低（空载损耗较SC（B）10系列下 降70％）、噪声小、局放小 .
二、成功地解决了受力不如传统的变压器好这一难 题
三、节能环保,性价比高,结构紧凑合理,外型和谐美 观
日本在非晶材料应用方面作了大量工作
为了提高电力设备效率，减低送配电的损失，采用高压送
电网时，建议采用铁损少的非晶变压器，2002年开始首批
力继美国之后跃居世界第二位。
4.2 伪合金（假合金）
4.2.1 基本概念
合金：一种金属元素与其它金属元素或非
金属元素融合而成的物质
热力学相容性：A+B → AB 时，Δ G<0
伪合金：将热力学不相容的组元以某种形
式组成的具有合金性能的材料
4.2.2 伪合金的意义
1）充分利用材料的性能
例如触头材料
最常用的是液相凝固控制法
单辊法：1975年； 20cm宽，70μm厚的薄带 纺丝法：1980年，数万米长的线
粉末冶金在非晶合金中的应用
薄带、细丝、粉末
→ 颗粒分散强
化材料、非晶合金 固结 爆炸、冲击等晶化温度以下的烧结。 焊接：超声波、激光
4.1.3 材料性能
1）力学性能 原子无秩序排列 无易滑移面，性能各向同性 非变形硬化，完全弹塑性体 高强度、硬度，高韧性 难加工材料可进行50~90%的冷加工 气氛、温度影响使用，氧化、脆化
塑性
长期以来，探索同时具有高强度和大塑性的金属合金材料 一直是材料领域追求的目标，但是由于变形机制的限制， 在提高材料强度的时候往往伴随着塑性的损失。这一趋势 随着材料晶粒尺寸的减小变得愈加明显。当金属合金达到 结构长程无序的非晶状态时(在室温下，非晶合金强度远 远高于同成分的晶态金属合金)，但是其塑性变形能力几 乎完全丧失。这导致非晶材料的脆性断裂。因此，非晶合 金的脆性严重制约了它们作为高强度工程材料的广泛应用。
在我国推广应用非晶材料变压器经 济和社会效益十分巨大
全国配电变压器约20亿KVA，如果全部采用非晶变压器， 将减少空载损耗360万KW，每年可节约电耗 321亿度，折 合人民币193亿元；可减少煤耗1220 万吨，减少CO2气体排
放488 万吨，减少SO2气体排放 15.86 万吨，减少NO2气体
metal sweating materials
一种特殊的散热材料，用于制造耐高温的航 天器器件和电器开关触点。这种材料用高熔 点金属构成多孔的基体，孔隙中渗入低熔点 金属；在高温下工作时，低熔点金属蒸发吸 热，借以冷却材料的表面。这是依据人体蒸 发汗液吸热降低体温的原理设计成的，因而 得名。
金属发汗材料
2） 为材料设计开拓领域
单一材料无法满足要求
互不相容的体系
充分利用各类材料的优点
成分自由度大
合金（复合材料）的形成方式
钼铜合金介绍
1、高电导高热导特性。钼是金属中除金、银、铜等金属外，电导和热 导性比较好的元素。 2、低的可调节的热膨胀系数。铜的热膨胀系数较高，钼的热膨胀系数 却很低。 3、特殊的高温性能。钼的熔点为2 610℃，而铜的熔点仅为1 083 ℃ ， 钼铜合金在常温和中温时，既有较好的强度，又有一定的塑性，而当温 度超过铜的熔点时，材料中的铜可以液化蒸发吸热，起到冷却作用（发 汗冷却）。 4、无磁性。钼和铜均为非铁磁性金属，因此所组成的钼铜合金是一种 优良的无磁材料。 5、低气体含量和良好的真空性能。 6、良好的机加工性。纯钼金属本身由于较高的硬度和脆性，机加工比 较困难。而钼铜合金由于加入铜后材料硬度降低、塑性增加，故有利于 机加工，可以加工成复杂形状的部件。
触头材料也称触点或接点，是高低
压电器中的关键元件，担负着导通 与分断电流的作用，直接影响电器 的可靠性与寿命
对触头材料的基本要求
物理性能：低电阻、高热导、熔点、熔化 热、热稳定性好 力学性能：室温、高温强度，硬度、塑性 电接触性能：耐电弧烧损、接触电阻低
化学性能：耐腐蚀性好、不易氧化、不形 成不导电的化合物 加工性能：可焊接 利用Ag与W各自的性能
W-Cu合金
航空航天
火箭尾喷管喉衬
3000度以上高温， 气速1000m/s 经受固体颗粒冲刷
军事武器
坦克破甲弹药罩
电子通讯
热散和热沉材料
良好的气密性 良好的导热性 严格的热膨胀系数
民 用
真空触头材料
完全致密 均匀的组织 良好的导电性
增程炮的尾喷口
燃气舵、鼻锥
电磁炮轨道
金属发汗材料
该材料还非晶合金高强度
的特点。
2）耐腐蚀性能
非晶材料的化学活性高 → 形成金属的钝态膜 → 耐腐蚀性提高 Fe-2%Cr 相当于 18-8不锈钢 （非晶） （晶体材料） N的盐酸中，1年的腐蚀速度 （mm） 非晶Fe72Cr8P13C7 为 小于 0.00001 18-8不锈钢 为~0.5 钝态膜的形成可防止氢脆，超耐腐蚀性Ti、Nb
研究人员利用常用的Zr、
Cu、Ni和Al金属元素, 根 据自己提出的模量判据，
通过快速凝固的现代冶金
手段,合成出了在室温条 件下具有超高压缩塑性的 非晶合金。不同于以往的 非晶合金，这种新开发的 材料在室温下的压缩塑性 变形能力非常强，可以像 常见的纯Cu，纯Al一样 弯曲或形变成一定的形状。 在具有超高塑性的同时，
采用非晶变压器，日本已将非晶变压器作为落实京都议定 书防止气候变暖、减少有害气体排放的绿色环保产品，全 面推广使用。政府部门首先带头使用，其次是制定绿色采 购法，国家机关动员优先购买绿色产品，对非晶变压器作
为首选产品，同时，政府对使用非晶变压器和制造非晶变
压器企业给予资金补助、优惠融资、税制优惠等措施。
吸附性能
符合图纸
密闭容器,5kg压力 不吸附He气
符合要求
满足要求
Papers
Chengchang Jia, et al, Microstructure and Properties of W-Cu Alloys Prepared with Mechanically Activated Powder, Journal of University of Science and Technology Beijing, 2001, 8(2), 129-132（IDS Number:446AX, ISSN:1005-8850）3 Chengchang Jia, et al, Microstructure of Sintered Mo-Cu Alloys with Mechanically Activated Powder, Rare Metals, 2001, 20(2), 112-116（IDS Number:458MJ, ISSN:1001-0521） Chengchang Jia, et al, Effect of Cobalt on the Sintering Behavior of Mechanically Activated Tungsten Powder, Rare Metals, 2001, 20(3), 183-186（IDS Number:491RC, ISSN:1001-0521） JIA Chengchang, LI Zhigang, HE Yuntao, and QU Xuanhui, Spark plasma sintering on mechanically activated W-Cu powders, Rare Metals 2004; 23; 269~273（IDS Number:858MH, ISSN:1001-0521） Chengchang Jia, et al, Sintering Kinetics of Mechanically Activated Mo-Cu Powder, Science of Sintering, 1999, Vol.31, No.3, p169-174 Chengchang Jia, et al, Mechanical Alloying and W-Cu, Mo-Cu Alloys, 13th International Conference on Composite Materials, Beijing, China, June, 2001, Scientific and Technical Document Publishing House, p489 (ISTP 收录) Chengchang Jia, Zhigang Li, Yuntao He, Yanlei Ping, Zizhang Xie, Microstructure and Characteristics of Mechanically Activated W-Cu Powder, China Particuology, 2003, 1(4): 172~175 Chengchang Jia, et al, Microstructure of Sintered Mo-Cu Alloys with Mechanically Activated Powder, Rare Metals, 2001, 20(2), 112-116（EI检索） 贾成厂等，用机械活化与化学活化粉末制备W-Cu合金，粉末冶金技术，2001，19（3），p148-152 （EI检索） 杨自勤、贾成厂等，机械活化粉末制备W-Cu合金的微观组织，北京科技大学学报，2002，24（2），115-118（EI检索） 赫运涛，贾成厂，樊世民等，机械活化W-Cu粉末的压力烧结，粉末冶金技术，2004，22（1），33-36（EI检索） 贾成厂等， 用机械活化粉末制备钨合金，清化大学学报， 1999, Vol.39, No.6, 35-38（EI检索） 贾成厂等，机械活化对Mo-Cu粉末烧结行为的影响，粉末冶金技术，2000，18（3），163-166（EI检索） 贾成厂，解子章，微观组织及应力状态对烧结Mo-Cu合金热膨胀系数的影响，稀有金属材料科学与工程，2002，增刊2： 85~88 贾成厂，何忠，赵军，解子章，烧结Mo-Cu合金的热膨胀行为，复合材料（生命、环境与高技术），天津大学出版社，2002： 391~394 贾成厂等，机械活化W-Cu粉末的加压烧结，2001年全国粉末冶金学术会议，2001，5，武汉，p51 解子章，贾成厂，烧结Mo-Cu合金的组织特征，2001年全国粉末冶金学术会议，2001，5，武汉，p81