关于非晶态金属材料的研究
非晶合金材料的研究及其应用
非晶合金材料的研究及其应用近年来，非晶合金材料在科技领域中引起了越来越多的关注，其特殊的物理和化学特性使其在各种应用中具有广泛的潜力。
本文将介绍非晶合金材料的研究和应用，并展示其未来的发展趋势。
一、什么是非晶合金材料非晶合金材料，也称为非晶态金属材料或非晶态合金，是一种特殊的金属材料，其晶体结构是无序的。
与传统的金属材料不同，非晶合金材料的原子排列没有规则性，是一种凝固态的无定形物质。
因此，非晶合金材料具有一些非常特殊的物理和化学特性。
二、非晶合金材料的制备非晶合金材料的制备通常使用高温快速冷却（也称为快速凝固）技术。
这种技术可以将金属材料从液态状态快速冷却到固态状态，从而防止其结晶。
通过这种方法，可以制备出具有非晶态结构的金属材料。
三、非晶合金材料的特性非晶合金材料具有一些非常特殊的物理和化学特性，包括优异的高温稳定性、高强度和高韧性、优异的磁性和可挠性、良好的耐腐蚀性等。
与这些特性相对应的是，非晶合金材料在制备和形态控制方面的技术难度和成本也较高。
四、应用领域非晶合金材料在航空、汽车、电子等领域具有广泛的应用。
在航空航天领域，非晶合金材料可用于制造高温引擎涡轮叶片、热交换器、弹簧等部件。
在汽车工业中，非晶合金材料可用于制造发动机涡轮叶片、变速器零件等。
在电子产业中，非晶合金材料可用于制作头部、磁芯等。
此外，非晶合金材料还在医疗、环保、能源等领域具有广泛的应用。
例如，在医疗领域，非晶合金材料可用于制造支架、人工关节等。
在能源领域，非晶合金材料可用于制造太阳能电池板、风力发电机及储能等。
五、未来的发展趋势虽然非晶合金材料有广泛的应用前景，但目前仍存在一些问题。
其中，成本是当前最大的阻碍因素之一，同时，非晶合金材料的特性和性质也需要进一步提高和改进，以满足更广泛的应用需求。
因此，未来的发展趋势将主要集中在以下两个方面：一是降低成本和提高质量。
二是进一步完善材料设计和工艺技术，以满足更多领域的应用需求，如高温高压、耐腐蚀等方面的应用。
金属材料的非晶态与纳米晶态
金属材料的非晶态与纳米晶态金属材料是工业生产中最重要的材料之一，其特殊性能和优异的物理力学性能已经被广泛应用于各个领域。
随着人们对材料性能的要求越来越高，金属材料的非晶态和纳米晶态也逐渐引起人们的关注。
本文将探讨金属材料的非晶态和纳米晶态的概念、制备方法以及应用前景。
一、非晶态金属材料非晶态金属材料是一种具有非晶结构的材料，其原子排列没有规则的长程周期性。
它的金属原子是以一种无序排列的方式分布于空间中的，因此称为“非晶态”。
它是介于晶态和液态之间的一种结构状态。
一般来说，非晶态材料由高温下迅速冷却而成，这个过程被称为快速凝固或淬火。
这种材料的熔点相对较高，可以达到晶态材料的熔点，但其热膨胀系数小，机械性能优异，导电性能良好。
因此，在很多领域都具有广泛的应用前景。
制备非晶态金属材料的方法有很多种，比如快速凝固法、气冷快速凝固法、感应熔化法、电子束辐照法等等。
其中，最常用的就是快速凝固法，这种方法可以制备出大面积、高稳定性的非晶态金属材料，并且可以制备出很多种不同的金属和合金。
例如，Fe-Si、Fe-Co、Fe-Ni-Cr、Zr-Cu-Ni-Al等合金都可以用快速凝固法制备。
另外，非晶态金属材料的制备技术也在不断发展和改进中。
例如，现在已经出现了一种叫做“烷基辅助快速凝固法”的新方法，该方法利用烷基分子作为快速凝固材料，可以获得非常高的凝固速度和均匀度，从而获得更好的非晶态金属材料。
二、纳米晶态金属材料纳米晶态金属材料是一种由纳米晶组成的材料，其晶粒尺寸一般小于100纳米，因此也被称为“纳米材料”。
这种材料相比于普通金属材料具有更好的力学性能、电学性能、热学性能和光学性能等等，可能成为未来各种领域的重要材料。
目前制备纳米晶态金属材料的方法有很多种，包括机械碾磨、高温球磨、溶液化学合成、气相合成等等。
其中，机械碾磨和高温球磨是比较常用的制备方法。
这两种方法可以通过机械剪切和冲击力对金属粉末进行加工，形成纳米晶态金属材料。
非晶态材料制备及性能研究
非晶态材料制备及性能研究非晶态材料是一类独特的材料，其具有无序排列的结构，并且没有结晶性。
这种材料在实际应用中具有很大的潜力，因为它们可以在很多方面优于晶态材料。
在本文中，我们将重点探讨非晶态材料的制备方法及其性能研究。
1. 非晶态材料的制备方法非晶态材料的制备方法多种多样，其中较为常见的方法有：1.1 快速凝固法快速凝固法是一种常用的制备非晶态材料的方法。
该方法的原理是通过极快的固化速度，将材料的结晶过程阻止，使其保持在无序排列的状态。
快速凝固法有多种类型，包括基体法、轧制法、溅射法和熔滴法等。
其中基体法和轧制法是较为常见的制备非晶态材料的方法。
1.2 化学气相沉积法化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种在高温气氛下进行的化学反应过程，可以制备高质量的非晶态材料。
CVD法以气体为起始材料，通过化学反应沉积非晶态材料在基底上。
这种方法可以制备出很小颗粒的非晶态材料，并能够实现对其形貌和尺寸的精密控制。
1.3 溶胶–凝胶法溶胶–凝胶法是制备非晶态材料的一种简单有效的方法。
该方法通过以溶胶为基础，经过凝胶化和热处理等步骤来制备非晶态材料。
溶胶–凝胶法能够制备较大尺寸的非晶态材料，并且可以调控它们的成分和微观结构。
2. 非晶态材料的性能研究2.1 机械性能非晶态材料的机械性能是研究非晶态材料的重要指标。
相比较于晶态材料，非晶态材料具有更高的强度，更大的韧性和更好的抗腐蚀性。
这使得非晶态材料在各种领域中有着很广泛的应用，例如受力部件、压力容器和电子产品等。
2.2 导电性能非晶态材料的导电性能也是非常重要的。
自1982年发现金属玻璃以来，非晶态金属的导电性引起了研究人员的广泛关注。
非晶态金属电阻率通常比普通金属要高，但其导电性能也非常重要。
例如，在电池制造中，非晶态钴铁磁性材料常用作电动车辆的电池材料。
2.3 光学性能非晶态材料的光学性能也是非常重要的。
非晶态材料能够用于制造高质量的光学器件、传感器和显示器件等。
非晶态合金的研究与应用
非晶态合金的研究与应用非晶态合金是一种新型材料，它由于拥有优异的耐热、耐腐蚀、高强度等特性，近年来在航空、汽车、电子等领域得到了广泛应用。
本文将就非晶态合金的研究进展、应用现状以及未来展望进行探讨。
一、研究进展非晶态合金是指其晶体结构为无定形或近似无定形的金属合金，具有独特的物理、化学、机械等性质。
20世纪60年代初期，普鲁士莱茵的巴赫曼等人首次制备出铌基非晶态合金，此后，非晶态合金的研究逐渐成为材料科学的一个重要研究方向。
经过多年的研究，目前已经开发出了包括铁基、镍基、铜基、铝基、镁基等各种类型的非晶态合金，并对其晶体结构和性质进行了深入的研究。
二、应用现状1. 航空领域非晶态合金由于具有高强度、高韧性、耐热、耐腐蚀等特性，被广泛应用于航空领域。
例如，美国洛克希德公司利用非晶态合金制造出了一种新型航空发动机，其在空气动力学性能、噪音减小等方面都有明显优势。
2. 汽车领域非晶态合金在汽车领域的应用也越来越广泛。
一方面，它可以用于汽车发动机的关键零部件，例如气门、软驱动轮等，提高汽车的使用寿命和性能。
另一方面，非晶态合金可以制成优质的碳纤维强化复合材料，用于汽车的车身和车架等关键部件。
3. 电子领域非晶态合金在电子领域的应用也十分广泛。
例如，可以用于制造具有高密度、高性能的磁存储器件；也可以用于制造高效、节能的电力变压器。
三、未来展望目前，非晶态合金的研究已经向材料的多功能化、多组分化、形状记忆等方向发展。
未来，非晶态合金的研究方向将主要集中在以下几个方面：1. 研究制备大块非晶态合金目前，非晶态合金的制备还存在着一些难点，如制备简便度较低、生产成本较高等问题。
因此，未来将继续探索新的制备方法，力争制备大块非晶态合金。
2. 规模化应用目前，虽然非晶态合金在各个领域得到了广泛应用，但其规模化应用还面临着很多困难。
因此，未来将加大推广力度，促进非晶态合金的规模化应用。
3. 多功能化材料的开发除了单一的材料特性，未来非晶态合金的研究将探索其多功能化应用。
非晶态金属材料的研究及应用
非晶态金属材料的研究及应用非晶态金属材料是指在快速冷却过程中，金属原子无法形成有序结构而形成的无定形结构材料。
由于其具有许多独特的物理和化学性质，近年来越来越受到科学家和工程师的关注和重视。
本篇文章将探讨非晶态金属材料的特点、制备及其应用，以期能够更深入地了解这一领域的发展和前景。
1. 特点非晶态金属材料具有以下几个特点：1.1 高硬度：非晶态金属材料的超高硬度来源于其无定形结构，内部杂质极少，原子结构更紧密，让金属硬度大幅提升。
1.2 良好的韧性：非晶态金属材料的韧性高于普通金属，其断裂伸长率超过普通金属的10倍以上，因此十分适合用于制作高强度、高韧性、高耐磨等材料。
1.3 优异的耐腐蚀性：由于其内部结构的稳定性，非晶态金属材料往往具有很好的抗腐蚀性能。
1.4 容易形变：非晶态金属材料的抗形变能力很弱，因此一旦加工、冲击等过程中受到变形，很难恢复其原来的性质。
2. 制备方法非晶态金属材料的制备主要分为物理制备和化学制备两种方法。
2.1 物理制备：物理制备方法主要包括快速淬火和熔融法两种。
快速淬火是指将合金加热到其熔点以上，然后在极短时间内快速冷却，使金属原子无法形成有序结构而形成无定形的非晶态。
而熔融法是指在气态或液态下将金属原子混合，然后在高温下将其熔化，最后快速冷却得到非晶态金属材料。
2.2 化学制备：化学制备是指通过化学反应来制备非晶态金属材料，主要包括溶液沉积热处理方法、化学气相沉积法等。
3. 应用领域随着非晶态金属材料的研究不断深入，它已经开始在多个领域得到应用：3.1 电子领域：非晶态金属材料的超高硬度和优异的电导率，使其在电子领域的应用越发广泛。
比如，磁盘头、磁盘储存器和半导体等密集型电子产品就广泛使用了非晶态金属材料。
3.2 生命科学领域：非晶态金属材料在生命科学领域的应用前景广泛。
纳米金属玻璃制成的生物标记是目前最常见的应用之一。
另外，在生物医学领域中，非晶态金属材料已成功应用于制备医用器械、药物输送器等方面。
非晶态合金材料的制备及其力学性能研究
非晶态合金材料的制备及其力学性能研究非晶态合金材料（Amorphous Alloy）是指由金属原子、金属间化合物或金属与非金属元素形成的无定形固体。
这种材料具有优异的力学性能、热稳定性和腐蚀抗性等特点，因此被广泛应用于航天、汽车、电子等领域。
本文将介绍非晶态合金材料的制备方法和力学性能研究。
一、非晶态合金材料的制备方法非晶态合金材料的制备方法主要有快速凝固法、机械合金化法和物理气相沉积法等。
快速凝固法是指将高温熔体通过快速冷却制备非晶态合金。
该方法常用的设备有单轮快速凝固仪、多轮快速凝固仪和线性凝固仪等。
通过这些设备，可以制备出具有不同组成和形状的非晶态合金。
机械合金化法是指将粉末状的金属材料在高能球磨机中进行反复摩擦和冲击，使其发生塑性变形和固态反应，从而形成非晶态合金。
该方法适用于制备微米级别的非晶态合金，具有操作简单、设备成本低等优点。
物理气相沉积法是指将高温的原料气体通过离子束或电子束加热，形成高能原子簇，在衬底上沉积并形成非晶态合金。
该方法可制备出具有较大平面尺寸和均匀厚度的非晶态合金薄膜，适用于微电子器件等领域。
二、非晶态合金材料力学性能研究非晶态合金材料的力学性能是其在工程应用中的重要特性，主要包括弹性模量、屈服强度、延展性等。
弹性模量是指材料在力学应变范围内，对应力变化的敏感度。
非晶态合金材料的弹性模量通常较高，这意味着其具有良好的耐磨损性和抗变形能力。
屈服强度是指材料的抗拉强度达到临界值时所承受的最大应力。
非晶态合金材料的屈服强度通常较高，甚至可超过传统多晶金属材料的强度水平。
这是由于其无定形结构使得位错无法在晶间滑移，因此其内部形成的应力场比多晶材料更均匀。
延展性是指材料在受力时的变形能力。
非晶态合金材料通常具有较小的延展性，这是由其无定形结构所决定的。
但是，可以通过合适的改性和处理方式，提高其塑性和延展性。
非晶态合金材料的力学性能在工程应用中具有重要意义。
研究其力学性能不仅可以为其工程应用提供理论指导，而且还可促进新型非晶态合金材料的发展和应用。
非晶态材料的制备及性质研究
非晶态材料的制备及性质研究一、引言非晶态材料是一类在凝固时没有形成规则结晶结构的物质。
它们具有许多特殊的物理和化学特性，例如高密度、超强硬度和高力学阻尼性能。
这些特性使得非晶态材料被广泛应用于制造高性能材料和微电子器件等领域。
本文将介绍非晶态材料的制备方法，探讨其性质研究现状及未来发展方向。
二、四种制备非晶态材料的方法1. 熔融淬火法熔融淬火法是较为常用的制备非晶态材料的方法。
它的基本原理是将金属或合金加热至高于其熔点，然后迅速冷却到室温以下。
在快速冷却的过程中，金属或合金没有足够的时间来形成晶体结构，从而形成非晶态结构。
熔融淬火法的优点在于可以在室温下制备大面积的非晶态薄膜和多组分玻璃材料。
然而，这种方法对于高熔点的合金和易氧化金属的制备较为困难。
2. 溅射法溅射法是另一种常见的非晶态材料制备方法，它的基本原理是将金属或合金靶材置于真空室内，然后利用离子轰击或电子轰击等手段将靶材表面原子溅射出来。
这些原子以极高速度沉积到衬底上，形成非晶态薄膜。
溅射法可以制备多种材料的非晶态薄膜，具有优良的化学均匀性和结晶性能。
但是，由于需要真空设备和高昂的成本，溅射法一般只用于小面积的薄膜制备。
3. 机械合金化法机械合金化法是一种将原材料粉末混合并经高强度机械碾压形成非晶态钎料的方法。
这种方法的基本原理是通过机械碾压将原材料粉末混合均匀，然后控制碾压时间和碾压力度以制造非晶态钎料。
机械合金化法可以制备许多非晶态合金，具有良好的热稳定性和化学稳定性。
然而，由于合金中添加的原材料粉末数量有限，因此机械合金化法仅适用于小规模的制备。
4. 其他方法除了以上三种制备非晶态材料的方法外，还有一些较为新颖的制备方法，例如分子束外延法、热化学气相沉积法和激光凝固法等。
这些方法具有不同的优势和限制，可以根据不同的需求和材料特性进行选择。
三、非晶态材料的性质研究1. 机械性能非晶态材料的机械性能是其最显著的特点之一。
由于其无晶体结构，非晶态材料通常具有非常高的硬度和强度，同时具有良好的弹性模量和塑性形变能力。
非晶材料的研究和发展
非晶材料的研究和发展非晶材料，俗称玻璃态材料，是相对于结晶材料而言的一类材料。
它们在物理性质和化学性质上与传统的结晶材料有很大的不同，如硬度、导电性、热膨胀系数等。
与此同时，非晶材料还具有较好的加工性能和韧性，在实际应用中拥有广泛的应用前景。
近年来，随着新型功能材料的需求不断增加，非晶材料的研究和发展也取得了许多重要进展。
下面，本文将对非晶材料的研究和发展进行全面的介绍。
一、非晶材料的类型非晶材料按照其形成途径可以分为两类：一类是液态淬火形成的非晶态材料，即传统的金属玻璃和高分子玻璃；另一类是物理气相沉积、溅射和离子束淀积等方法制备的非晶材料，即非晶合金、非晶碳材料和非晶氮化物等。
在这些非晶材料中，非晶合金是其中应用最为广泛的一类。
二、非晶材料的发展历程非晶材料的研究和发展始于20世纪50年代。
最初，科学家们通过快速冷却液态材料制备出了金属玻璃。
随着研究的不断深入，人们发现非晶材料不仅可以用金属制备，还可以用其他材料（如高分子材料、陶瓷材料等）制备。
在20世纪80年代初期，日本和欧美国家先后建立了非晶合金的研究机构，分别进行基础理论研究和产业化研究。
近年来，非晶材料的利用已经逐渐扩展到了电子、汽车、军工、生物医学等领域。
三、非晶材料的优缺点非晶材料的性质具有多样性，其广泛应用得益于其优良的物理和化学性能。
首先，非晶材料具有较高的硬度和强度，可以用于制造高强度结构组件。
其次，非晶材料导电性良好，可以用于制造电子器件。
此外，非晶材料还具有较好的耐腐蚀性能和高温稳定性能。
其缺点在于，由于非晶态材料的结构比较紧密，容易发生塑性变形，因而加工难度较大。
四、非晶材料的应用领域非晶材料现在已经得到了广泛的应用。
在硬盘存储器件、变频器电容、汽车减震器、医疗器械和实验室用具等方面都有非晶材料的身影。
其中，应用最广泛的是非晶合金材料。
此外，在太阳能电池领域和燃料电池领域也有重要应用，并且这些领域应用的前景非常广阔。
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第三节非晶态金属材料研究现状与前景1. 非晶态金属材料及性质非晶态金属是一种“年轻”的金属材料，从它诞生以来，就显示出了巨大的潜能。
人们不断地发现它的各种奇异的、优良的特性，非晶材料已被广泛应用与此同时，人们对该材料的磁性、电学性质、力学性质、化学性质以及非晶态之形成及结构进行了广泛的研究，希望在这个亚稳的非晶态结构基础上研发出具有全新的结构和性能的新材料。
1. 1 非晶态金属材料物质的结构决定了其性质. 物质材料按其结构分类,可分为晶体和非晶体两大类.常见的金属材料从结构上看一般都属于晶体材料.近几十年来,人们发现了金属存在的另一种结构形式——非晶态. 如果把晶体结构的金属视为金属的“常现性态”的话,那么,非晶态金属就是金属的“特常现性态”.非晶态金属又可形象的称为金属玻璃(非晶合金原子的混乱排列类似于玻璃) .对于金属材料来说,通常情况下,当金属或合金从液体凝固成固体(例如钢水凝固成钢锭)时,原子总是从液体的混乱排列转变成固体的整齐排列,即成为晶体.因为只有这样,其结构才最稳定.但是,如果金属或合金的凝固速度非常快(例如以106℃/ s 的冷却速率将铁-硼合金熔体凝固) ,原子来不及整齐排列便被冻结住了,最终的原子排列方式类似于液体,是混乱的,这就是非晶合金.从理论上说,任何物质只要它的液体冷却速率足够快,原子来不及整齐排列就凝固,那么原子在液态时混乱排列并迅速冻结,就可以形成非晶[2 ].有人根据这一特点又将非晶合金称为“过冷液”.但是,不同的物质形成非晶所需要的冷却速度大不相同.例如,普通的玻璃熔体只要慢慢冷却下来,得到的玻璃就是非晶态. 而单一的金属则需要108℃/ s 以上的冷却速度才能形成非晶态. 目前,受工艺水平的限制,在实际生产中难以达到如此高的冷却速度,也就是说,普通的单一的金属难以在生产中制成非晶.故非晶态金属多为合金,纯的非晶态金属很少.非晶态金属结构是一种亚稳态结构.在一定的条件下(比如高温、强冲击作用) 会向更稳定的状态——晶态转变而变成普通晶态金属.我们把这一转变过程称为“晶化”.非晶态金属结构的无序性带来了结构的复杂性,给相应的研究工作带来了很大的困难.加上它又是那么的“年轻”,人们至今尚未能找到一个理想的物理或数学模型来描述或表征非晶态金属的结构.然而,这并不妨碍人们对它的研究兴趣.最近的研究表明,非晶态金属结构与“硬球无规密堆模型”相近,属于长程无序,短程有序的结构.这种短程有序表现在两个方面:某个原子最近邻的特定原子种类,称为化学短程序(CSRO) ;这些特定种类原子在空间的特定堆积,称为拓扑短程序( TSRO) .正是这两种短程序的存在,使得非晶态金属表现出许多优异的性能.1. 2 性质非晶态金属得以广泛研究和应用的原因是它具有结晶金属不具备的各种优良特性.影响物质性能的根本因素除了其成分外,就是原子的排列以及电子状态.从结构上看,非晶态金属的构造与结晶金属不同,原子排列紊乱无序,原子之间相互作用,电子所处的状态都与结晶金属不同.非晶态金属的这种特殊结构,决定了其性能与结晶金属有很大差异.除此之外,还有一点应强调的是非晶态金属在成分上的特殊性.非晶态金属大都是多元素合金,从均匀的液体状态快速冷却、凝固,使各元素能均匀分布,形成一个固溶体.添加各种不同的元素会使非晶态金属产生各种不同性质.这种在成分上自由调节的特殊性给非晶态金属带来了很大影响.结晶金属则不同,多元素所形成的合金,像平衡状态图所示的一样,大部分都形成化合物,或是分离成几个相,多元素在一个相中均匀的混合,形成固溶体的范围少.所以,结晶金属不具备非晶态金属的多种元素任意、均匀混合的特点,结构和成分上的特殊性决定了非晶态金属有各种特殊性能[4 ]非晶态金属位错密度高,宏观组织均一,没有晶界等缺陷,被认为是一种具有高韧性、高强度的材料.实验证明,非晶态金属的强度比结晶金属材料要高得多. 铁系非晶态金属的最高强度达450 kgmm2,钴系和镍系也达300 kg/ mm2以上,比人们所知的强度最高的钢丝线强度(直径为0. 18 mm 的钢丝线强度为280 kg/ mm2)还高.非晶态金属中虽然含有许多非铁磁性元素,难以得到很强的磁化,但其没有结晶金属的磁的各向异性,也不存在阻碍磁畴壁移动的结晶缺陷及析出物,因而它的磁滞损失非常小.此外,非晶态金属的电阻率是结晶金属的5～6 倍,它的涡流损失也很小.非晶态金属是极理想的软磁材料,它具有低矫顽力、高导磁率及高频特性好等优良特性.由于非晶态金属没有成分变化而引起相变现象,磁性可以随成份连续变化,所以可以做出各种特性的非晶态磁性金属.从构造上看,非晶态金属没有晶界、层错等缺陷,没有偏析、析出及异相,当添加适当元素形成亚稳态后,会显示出惊人的抗腐蚀性,在酸性、中性或碱性等各种溶液中长期浸泡而不被腐蚀.如在Fe 基合金中添加Cr 和Mo ,其耐腐蚀性之强令人难以置信.可以说,这是非晶态金属的构造特殊性和成分特殊性而带来的结果.非晶态金属除了高强韧性、超耐腐蚀性和软磁性外,还具备许多其他特性,如耐放射线损伤.通常中子照射到结晶金属上后,原子的点阵排列会遭到破坏,出现很多缺陷使材料性能下降,但是非晶态金属在放射线长期照射后既不脆化,导电性也不下降.将来人类可利用原子能以及氢的核聚变能解决能源问题.由于原子炉以及核聚变炉中有大量的放射线,因此,要求耐照射损伤的材料,非晶态金属的耐放射线损伤的特性将有助于解决这一问题.非晶态金属的构造可以看成是无数个缺陷的组合体.表面处于非常活泼的化学状态,可以作为很有前途的催化剂材料.另外,很多非晶态金属具有超导性,可作为贮氢材料减轻材料粉化的问题等.非晶态金属的历史还很短,随着其研究的深入,还会发现许多新的特性.2. 非晶态金属的制备制备非晶态金属的方法很多,大致可分为液相急冷法、气相沉积法、化学溶液反应法及固相反应法等几大类.液相急冷法和气相沉积法是较常见的两种方法.从材料制备的工艺和产品的质地来看,液相急冷法是比较好的一种,目前已成为制备各种非晶态金属的主要方法.2. 1 液相急冷法此方法是将金属加热熔化,然后采取各种方法让液态金属快速冷却凝固,形成非晶态金属.该方法在非晶态金属制作中用得最广泛、最频繁,目前得到应用的非晶态金属几乎都是由此法制成的. 此方法的种类很多,用不同的急冷法得到的非晶态金属的形态、性质有很大的不同.目前,非晶态金属的大型制造设备可连续生产宽达20 cm的非晶态金属薄带.利用单轮法还可以制作复合非晶态薄带,即利用两个坩埚将金属熔化,然后同时喷到同一个快速旋转的轮子上,就可以得到两种材料接合的复合非晶态金属薄带.除此之外,还可利用激光、电子束等离子体等手段在碳素钢等金属表面涂盖一层耐腐蚀的非晶态金属膜,或利用脉冲大电流将多晶薄膜快速熔化,快速凝固成非晶态金属膜,或利用熔射法将10μm 左右的合金粉末通过等离子体熔化后喷到冷却板上,制取带状或粉末状非晶态金属.这些方法都属于液相急冷法.液相急冷法的特点是让液态金属中的热量在非常短的时间内散发掉,使晶核的形成及长大得到抑制,冷却时间t0随温度、压力、成分、短程有序性等的差异而不同,一般t0 在10 - 2～10- 7s的范围内.冷却速率是液相急冷法的关键因素之一,冷却速率越快,会使非晶态金属的形成范围加宽,非晶态金属的尺寸加大,非晶态的均一性好,从而使非晶态金属的热稳定性提高.非晶态化均一性对材料性能的影响极大,如果试料中有微小的结晶成分存在,那么材料的许多性质显著下降.如很多脆性的非晶态金属往往是因没有完整均一地非晶态化,或虽是均匀非晶态化,但在保存中又出现了结晶而造成的.2. 2 气相沉积法气相沉积法是通过加热、溅射等各种手段使金属先变成原子、分子、离子或原子团状态,然后沉积到基板上,形成非晶态金属.此法是从制作非晶态金属磁性薄膜而发展起来的.目前,制造薄膜、超微粉、多层膜以及人造晶格膜经常运用气相沉积法. 此法大体上可以分为两大类:一类是物理气相沉积法,包括真空蒸镀法、溅射法、离子束法、ICB ( Iion clusterbeam)法等;另一类是化学气相沉积法,包括热CVD法、光CVD 法和等离子体CVD 法.气相沉积法的非常重要的因素是飞往基板的粒子运动能量和基板周围的真空度.真空蒸镀法虽有基板温度不升高、堆积速度快、装置结构简单及调节方便等优点,但是粒子运动能量低,仅有0. 01～1eV 左右,必须将基板温度降到很低才行.另外,形成的膜与基板结合强度低,所以在非晶态金属制作中用得不多. 溅射法虽然膜的形成机构复杂,难以控制,基板温度上升显著,但是离子能量约为10 eV ,很适合做非晶态金属膜,而且膜与基板接合牢,成分控制也比真空蒸镀膜好,是制取非晶态金属薄膜的主要方法.用溅射法能使一些用液相急冷法不能非晶态化的合金非晶态化,如Fe2Mo , Fe2La , Fe2Cu2Ag等合金系.溅射法的主要缺点是离子能量难以控制,基板温度上升快,真空度低及Ar 等气体杂质易混入试料中.用此法获得的非晶态金属的性能与液相急冷法获得的非晶态金属的性能相差很大.最近离子束法的研究很受重视. 此法真空度高,能避免Ar 等气体杂质混入,离子束也容易控制,可以在很宽的成分范围内制取纯净度很高、性能很好的非晶态薄膜,不足处是膜形成速度太慢.ICB 法是一种速度较快的非晶态金属薄膜形成方法.将试料加热熔化使金属蒸发形成原子团,同时使原子团离子化,以离子团的形式加速飞向基板.此法真空度高,不存在Ar 等气体杂质混入问题,同时基板温度上升问题也能避免,但目前还没有发现此法形成的非晶态金属薄膜有什么很实用的特性.另外,在设备和技术上还有不少问题尚待解决. CVD法也可以用来制非晶态金属薄膜,但一般仅在高熔点金属及金属陶瓷合金中有所应用,如可以制备SiC ,SiB ,SiN 等非晶态薄膜.2. 3 化学溶液反应法化学溶液反应法包括电解镀膜法和无电解镀膜法.电解镀膜法是早已为人们所知的非晶态金属薄膜制作法,是通过加入电流使金属离子直接还原析出在电极上,其最大特点是简单,能大面积形成非晶态金属薄膜.最近此法又开始重新引人注目,在材料的防腐等领域中得到了应用.由于此法是在溶液中靠电极反应而生成膜,因此控制溶液的种类、温度及电解条件等都很重要.无电解镀膜法是不加电流,而在溶液中加入一些还原剂,靠其化学反应在基板上析出形成薄膜.例如,将CoCl2 ·6H2 O ,NaH2 PO2 ·H2O ,N H4 CNa KC4 H4O6混合,调成p H 为9～10 的水溶液,经反应可生成Co2P 非晶态金属膜,按类似条件也可以形成Ni2P ,Ni2Fe2P 及Ni2B 等非晶态金属膜.除这两种以外,最近又发现金属离子水溶液和氢化、硼化物的水溶液混合,在短时间内可产生大量非晶态金属超细粉. 这种现象在Fe2B ,Co2B , Fe2M2B ,Ni2M2B (M = Cr ,Mo ,W ,Mn)等许多合金中都得到证实,此方法的原理与无电解镀膜类似.用此法制成的非晶态金属为20 nm 左右的超细粉,而且形成非晶态金属的成分范围与液相急冷法有很大不同.现在已开始对这些超细粉进行物性研究,并发现了一些良好的特性.2. 4 固相反应法目前,这个领域的研究最活跃,作为非晶态金属制作的新方法受到极大的关注.固相反应法大体上可以分为四大类.第一类是利用电子线、放射线等的照射使金属非晶化,如Zr3 Al ,Ni Ti ,Cu4 Ti3和Ni3 M等金属间化合物受照射后形成非晶态金属.第二类是将两种金属作成间隔为数mm 的多层膜,然后在高真空中加热到数百度,靠加热反应形成非晶态金属.如在Au2La ,Zr2Ni ,Ni2Hf ,Co2Zr ,Co2Hf 和Rh2Si 等系中成功地获得了非晶态相.第三类是让AB ,AB2和AB3型金属间化合物在常温或常温以上的高温中吸收氢气,在金属与氢气反应中形成非晶态金属.如Laves相RM2 (R =稀土金属;M = Fe ,Ni ,Co ,Mn) ,Do19型R3M(R = La , Pr ,Nd ,Sm ;M = Ga ,Al)以及C23B8型的许多金属间化合物,在适当的条件下与氢气反应,都可以形成非晶态金属.此方法获得非晶态金属一般以粉末状为多,也有块状的.通过控制氢气的压力及反应温度可以改变非晶态金属的形态及特性. 第四类是机械合金化法(mechanical allo2ying ,简称MA 法) .这种方法是将数种金属粉末混在一起,靠球磨碰撞等机械能量使金属粉末局部破坏、压挤,在微观上混合化、合金化和微粒化,通过局部加热和扩散反应,获得非晶态金属粉末.前三种方法形成非晶态相的合金成分都有局限于金属间化合物的倾向,而MA 法则不存在此限制. MA 法能在液相急冷法不能获得的合金成分范围内获得非晶态相,这已在Fe2Zr , Cu2Nb2Sn ,Ag2Cu ,Ni2Ti ,Ni2Zr ,Cu2Zn 和Ag2Fe 等许多系中得到证实. 此法所需的设备简单,操作方便,适应的合金范围宽,是一种大量生产非晶态金属粉末的有效方法. 近几年来,与MA 法有关的研究很活跃,但用此法制出的非晶态金属粉末很微细,表面易氧化,反应所需时间长,容器的磨损带来的杂质混入现象也难以避免.另外,非晶态化的均一性与液相急冷法相比是否相同还不清楚.关于粉末及压粉体性能达到或超过液相急冷法的粉末及压粉体的性能报道也很少,这些都是急待解决的问题. 与MA 法相似的还有机械压粉体法(mechanical grinding ,简称MG法) . MG法与MA法的不同之处是出发原料不同,它不是以两种以上的纯金属粉末,而是以几种金属的合金粉末为原料.3. 非晶态金属的性能及其应用与晶态合金相比,非晶态合金在物理性能(力、热、电、磁)和化学性能等方面都发生了显著的变化.而几乎所有的这些特性都可以进一步挖掘和利用,给我们带来科学的、经济的、社会的利益和价值.3. 1 非晶态金属的力学性能及应用研究表明,非晶态合金与普通钢铁材料相比,有着突出的高强度、高韧性和高耐磨性.根据这些特点用非晶态材料和其它材料可以制备成优良的复合材料,也可以单独制成高强度耐磨器件.在日常生活中我们接触的非晶态材料已经很多,如用非晶态合金制做的高耐磨音频视频磁头在高档录音、录相机中的广泛使用;把块状非晶合金应用于高尔夫球击球拍头和微型齿轮中;采用非晶丝复合强化的高尔夫球杆、钓鱼杆已经面市;非晶合金材料广泛用于轻、重工业、军工和航空航天业,在材料表面、特殊部件和结构零件等方面也都得到广泛的应用.3. 2 非晶态金属的电学性能应用一般非晶态金属的电阻率较同种的普通金属材料要高,在变压器铁芯材料中利用这一特点可降低铁损.人们发现,在某些特定的温度环境下,非晶的电阻率会急剧的下降(跃变效应) ,利用这一特点可设计特殊用途的功能开关.还可利用其低温超导现象开发非晶超导材料.目前,人们对非晶态合金电学性能及其应用方面的了解相对较少,尚有待进一步研发.3. 3 非晶态金属的磁学性能及应用非晶态合金具有优异的磁学性能.在非晶的诸多特性中,人们目前对这一方面的研究相对要深入些.常常有人对图书馆或超市的书或物品中所暗藏的报警设施感到惊讶,其实,这不过是非晶态软磁材料在其中发挥着作用.与传统的金属磁性材料相比,由于非晶合金原子排列无序,没有晶体的各向异性,电阻率高,具有高的导磁率,是优良的软磁材料.根据铁基非晶态合金具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点,现代工业多用它制造配电变压器,铁芯的空载损耗与硅钢铁芯的空载损耗相比降低60 %～80 %,具有显著的节能效果.应用非晶态合金配电变压器所带来的巨大节能效益意味着可以通过节能减少新建电厂的数量,同时减少新建电厂对环境的污染,从这个意义上讲,非晶态材料被誉为“绿色材料”.非晶态合金铁芯还广泛地应用在各种高频功率器件和传感器件上,用非晶态合金铁芯变压器制造的高频逆变焊机,大大提高了电源工作频率和效率,焊机的体积成倍减小.如今,电力电子器件正朝着高效、节能、小型化的方向发展,新的科技发展方向对非晶态金属材料研究现状与前景磁性材料也提出了新的要求.于是,一种体积小、重量轻的非晶态软磁材料以损耗低、导磁高的优异特性正逐步代替一部分传统的硅钢、坡莫合金和铁氧体材料,成为目前研究最深入、应用领域最多、最引人注目的新型功能材料之一.3. 4 非晶态金属的化学性能及应用非晶态合金还具有优异的化学性能.研究表明,非晶态合金对某些化学反应具有明显的催化作用,可以用作化工催化剂.某些非晶态合金通过化学反应可以吸收和释放出氢,可以用作储氢材料.由于没有晶粒和晶界,非晶态合金比晶态合金更加耐腐蚀,因此,它可以成为化工、海洋等一些易腐蚀的环境中应用设备的首选材料.3. 5 非晶态金属材料与纳米晶金属材料非晶态金属与纳米晶金属材料有着非常亲缘的关系.通过一些特殊的方法控制非晶晶化的过程,可以得到致密良好、纯净度很高并符合期望的纳米晶金属材料. 根据近期文献报道,在诸多非晶晶化法中,退火晶化法和激波诱导晶化法是比较成功也比较好的两种方法. 20 世纪80 年代末,日本的吉泽克仁等发现,含有Cu 和Nb 的铁基的FeBSi 非晶合金在晶化温度以上退火时,会形成非常细小的晶粒组织,晶粒尺寸仅有10～20 nm ,这时材料的磁性能不仅不退化,反而非常优良.这种非晶合金经过特殊的退火晶化而形成的晶态材料称为纳米晶合金(以前也曾称为超微晶合金) .铁基纳米晶合金的磁性能几乎能够和非晶合金中最好的钴基非晶合金相比,但是却不含有昂贵的钴,所以被广泛应用于高频变压器铁芯,替代铁氧体和坡莫合金等.。