非晶态材料的制备
非晶态材料的制备和性质
非晶态材料的制备和性质随着科技的飞速发展，材料科学技术也随之不断进步。
作为一种新兴的材料，非晶态材料在各个领域都有广泛的应用，如电子、电工、力学、生物、化学等，因此其制备和性质研究备受关注。
一、非晶态材料的制备方法非晶态材料是一种没有长程有序结构的固体材料。
制备非晶态材料有多种方法，以下介绍其中几种。
1、快速凝固法快速凝固法是制备非晶态材料的最常用方法之一，其原理是通过快速冷却液态金属，使分子结构无法排列，从而形成非晶态材料。
快速凝固法分为多种，如单轴拉伸、液滴飞散、旋转坩埚等。
2、物理气相沉积法物理气相沉积法是在真空中通过鼓泡、溅射和蒸发等途径将材料沉积在基底上，形成非晶态材料。
常见的物理气相沉积法有热蒸发法、磁控溅射法和激光蒸发法等。
3、溶胶凝胶法溶胶凝胶法利用液相化学反应制备非晶态材料。
它的原理是通过在溶液中加入一定比例的试剂，使得所生成的凝胶液能够数十到数百度地加热固化，形成非晶态材料。
这种方法对于非晶金属氧化物材料的制备具有独特优势。
二、非晶态材料的性质由于非晶态材料的化学成分和物理结构的特殊性质，它具有很多独特的物理和化学性质。
以下将简要介绍几种常见的非晶态材料性质。
1、高热稳定性和良好的化学稳定性由于非晶态材料的结构更加紧密，非常难以发生物理和化学变化，因此非晶态材料具有高热稳定性和良好的化学稳定性。
这是一些化学储能和高温环境材料的理想选择。
2、优异的机械性能非晶态材料的内部结构类似于玻璃，在形变过程中，分子排列难以发生变化，从而使其具有优异的机械性能。
这种性质使得非晶态材料成为了开发高强度、高韧性和高导电性的材料的理想选择。
3、宽的电学响应范围由于非晶态材料中排列不规则，因此其电学响应范围非常宽。
这种特性使得非晶态材料在先进的光电技术中得到了广泛的应用。
4、特殊的磁性质一些非晶态材料具有特殊的磁性质，如低磁滞、高磁弛弦、高磁导率和高饱和磁感应强度等。
这使得非晶态材料成为了磁性储存器和传感器的重要材料。
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。
非晶态材料的制备及其特性与应用
非晶态材料的制备及其特性与应用随着人类科技的不断进步，材料科学也在不断地发展和更新，而非晶态材料就是其中之一。
非晶态材料是一种新型材料，其具有许多独特的物理和化学性质，使其在许多领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍非晶态材料的制备方法、特性和应用。
一、非晶态材料的制备非晶态材料（amorphous）可以理解为一种没有长程有序结构的材料，其结构是类似于未定型玻璃的随机分子排布。
目前，制备非晶态材料的方法主要有以下几种：1. 溅射法溅射法是利用高能离子轰击固体表面的原理，将固态材料弹射出来后，在气相当中沉积下来形成非晶态材料。
这种方法制备出的非晶态材料，粒径小、质量均一。
2. 快速冷却法快速冷却法也称为淬火法，是将材料熔融后，以极快的速度（大于10^5 K/s）冷却，从而形成非晶态材料。
这种方法制备出的非晶态材料具有优异的热稳定性和力学性能，适用于制备金属、合金和非晶态氧化物。
3. 液相冷却法液相冷却法是通过将材料熔化后，将其快速冷却到玻璃态，然后将玻璃态材料破碎成为微小颗粒。
这种方法制备出的非晶态材料，因其微小粒径和高比表面积，表现出极好的光催化活性。
二、非晶态材料的特性1. 非晶态材料具有高硬度和高强度，能承受较大的压力和拉伸。
2. 非晶态材料具有优良的耐磨性，适用于制造摩擦部件。
3. 非晶态材料较纯晶态材料具有更好的耐腐蚀性，可应用于化学和电子领域。
4. 非晶态材料在高温环境下表现出领先于晶体材料的耐腐蚀性和高温稳定性。
5. 非晶态材料具有优异的磁性和电学性质，适用于制造传感器和记录设备。
三、非晶态材料的应用1. 材料领域非晶态材料适用于制造多种材料，例如玻璃、金属和聚合物。
非晶态材料的制造成本较低、加工成形能力强，并且可以制造出复杂的外形。
2. 能源领域非晶态材料的应用在能源领域开始被越来越重视。
非晶态材料制成的太阳能电池具有响应时间短、转化效率高等优点。
3. 生物技术非晶态材料的应用在生物医学领域中，特别是在生物诊断和治疗方面。
非晶态材料的结构与制备技术
非晶态材料的结构与制备技术非晶态材料，也被称为玻璃态材料，是一种具有无定型结构的物质。
其原子排列无规律，没有长程有序性，与晶态材料相比，非晶态材料具有独特的性质和应用。
本文将分别从结构和制备两个方面探讨非晶态材料的相关知识。
一、非晶态材料的结构非晶态材料的结构是无序的，原子之间没有规则的排列方式。
相对于晶态材料，非晶态材料在微观层面上更加复杂，并且充满了缺陷。
但是，这种无序的结构为非晶态材料赋予了一些特殊的性质。
首先，非晶态材料的原子密度分布不均匀，这导致了其具有均匀的光学性质。
相比之下，晶态材料具有周期性的原子排列，其光学性质则具有很强的方向性。
这一特性使得非晶态材料在光学器件方面有着广泛的应用，比如光纤和太阳能电池等。
其次，非晶态材料的无序结构使其热膨胀系数较低。
晶态材料由于其周期性结构，其在温度变化时会发生体积的变化，导致热膨胀系数较高。
而非晶态材料不存在周期性结构，因此不受温度影响的程度较小。
这一特性为非晶态材料在高温环境下的应用提供了可能性，如高温陶瓷和耐火材料等。
另外，非晶态材料具有优异的力学性能。
其无序的结构使得原子之间的相互作用变得复杂，增加了材料的韧性和抗剪切能力。
这使非晶态材料成为一种理想的结构材料，用于制备坚固耐用的构件，如飞机零件和汽车零件等。
二、非晶态材料的制备技术非晶态材料的制备技术主要有几种，包括快速淬火、溅射和化学气相沉积等。
快速淬火是一种常用的非晶态材料制备技术。
通过将高温熔融的金属快速冷却，可以使其变为非晶态。
这是由于快速冷却过程中原子无法充分重新排列，形成有序结构，而保持了无定型的非晶态结构。
快速淬火技术广泛应用于非晶态合金和非晶态玻璃的制备中。
溅射也是一种常见的非晶态材料制备技术。
通过将靶材表面的原子击打出来，形成薄膜沉积在基材上。
溅射过程中的高能量撞击使得产生的薄膜具有非晶态结构。
溅射技术广泛应用于薄膜材料的制备，如导电薄膜和光学薄膜等。
化学气相沉积也可以制备非晶态材料。
第六章非晶态材料的制备
第六章非晶态材料的制备非晶态材料是一种特殊的材料，其结构没有周期性的重复单元。
相比于晶态材料，非晶态材料具有更高的硬度、强度和韧性，并且具有较低的电阻率和光反射率。
因此，非晶态材料被广泛应用于电子、光学、磁性和结构材料等领域。
非晶态材料的制备方法有多种，下面将介绍其中的几种常用方法。
1.熔融冷却法：熔融冷却法是最常用的非晶态材料制备方法之一、通过将材料加热至高温状态，然后迅速冷却，使原子无法排列成有序的晶体结构，从而形成非晶态结构。
常见的熔融冷却方法包括快速凝固法、射频溅射法和脉冲激光沉积法等。
2.溅射法：溅射法是一种常用的非晶态材料制备方法。
通过将材料放置在溅射装置中，加入适量的惰性气体，然后通过施加高电压或射频功率，使阳极材料形成离子，从而在材料表面形成非晶态薄层。
3.电化学沉积法：电化学沉积法是一种利用电化学反应制备非晶态材料的方法。
通过将材料浸泡在含有金属离子的溶液中，然后通过施加电压或电流，使金属离子在材料表面电沉积，从而形成非晶态结构。
4.溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是一种通过溶胶和凝胶过程制备非晶态材料的方法。
溶胶是材料的液体溶液，凝胶是材料的固体凝胶体。
通过适当控制溶胶和凝胶的浓度和温度，以及加入适量的络合剂和表面活性剂，可以形成均匀分散的溶胶体系，使材料在非晶态结构条件下凝胶。
5.软模板法：软模板法是一种利用有机分子作为模板制备非晶态材料的方法。
通过将有机分子溶液浸涂在基底上，在溶剂挥发的过程中，有机分子会形成一种有序排列的结构，然后利用热处理或化学反应将有机分子转化为非晶态材料。
以上是几种常用的非晶态材料制备方法，不同的方法适用于不同的材料和应用需求。
随着材料科学和制备技术的不断发展和创新，未来还会有更多的非晶态材料制备方法被发现和应用。
非晶态材料的制备方法的研究和改进将有助于提高材料的性能和应用范围，推动材料科学和工程领域的进步。
非晶态材料的制备课件
20世纪末至今
随着科技的发展，非晶态 材料的应用领域不断扩大 ，成为材料科学领域的重 要分支。
02
非晶态材料的制备方法
气相沉积法
物理气相沉积法
利用物理方法（如真空蒸发、溅射等 ）将材料从固态转化为气态，然后沉 积在基底上形成非晶态薄膜。
化学气相沉积法
通过化学反应将气态前驱体转化为非 晶态材料，通常需要在较高的温度和 压力下进行。
燃料电池
非晶态材料可以作为燃料电池的电极材料，提高 电极的催化活性和稳定性。
储能电池
非晶态材料具有较高的能量密度和快速的充放电 能力，可用于制造高能电池。
在电子信息领域的应用
集成电路
非晶态材料具有优良的导电性和稳定性，可以用于制造集成电路 中的金属导线。
电子器件
非晶态材料可以用于制造电子器件的电极和半导体层，提高器件性 能和稳定性。
绿色可持续发展
在非晶态材料的制备过程中，需要关 注环保和可持续发展，开发低能耗、 低污染的制备方法，以实现绿色生产 。
THANKS
感谢观看
非晶态材料内部原子排列相对较 为规整，存在一定的短程有序结 构，这使得非晶态材料具有一定
的物理和化学性能。
无明显的界面
非晶态材料内部原子排列较为连 续，没有明显的界面或晶界存在 ，这使得非晶态材料在某些方面
具有更好的性能。
04
非晶态材料的应用前景
在新能源领域的应用
太阳能电池
非晶态材料可以用于制造高效、低成本的太阳能 电池，提高光电转换效率。
非晶态材料的应用领域
01
02
03
机械工程
用于制造耐磨、耐腐蚀的 零部件，如轴承、齿轮等 。
电子工程
用于制造电子元器件，如 非晶态金属薄膜、非晶态 半导体等。
非晶态材料的制备及性能优化研究
非晶态材料的制备及性能优化研究非晶态材料是指没有规则的晶体结构，具有高密度、优异的力学性能、化学稳定性和良好的机械加工性能。
其应用涵盖了电子、光学、生物医学等诸多领域。
传统的制备方法往往需要高温高压条件，成本高、难度大，并且容易造成结晶缺陷影响性能。
因此，研究非晶态材料的制备及性能优化至关重要。
1.非晶态材料制备方法研究一、溶剂热法溶剂热法是利用有机溶剂的高温高压条件使溶液中的原子或分子构成非晶态或亚晶态结构的方法。
在高温高压条件下，原子或分子能够快速扩散，形成无序的非晶态结构。
该方法具有制备非晶态材料容易、高效、成本低廉等优点。
二、快速凝固法快速凝固法是利用快速冷却的方式使金属液体以高于熔点的速度凝固而形成非晶态结构的方法。
一般采用快速凝固的工艺，如溅射、电弧等方法，使金属液体在高温高压的条件下快速凝固，达到制备非晶态材料的效果。
该方法具有制备过程无需高温高压、制备过程可控等优点。
三、离子注入法离子注入法是将离子注入到晶体金属中，造成其原子排列的紊乱，从而形成非晶态结构的方法。
离子注入可以使金属固溶体中的局部原子受到点阵畸变、微位移、空位形成等影响而形成非晶态结构。
具有制备过程简便、能量消耗小等优点。
2.非晶态材料性能优化的研究一、化学持续性的研究非晶态材料具有高度的化学稳定性，但是在特定的化学环境下也可能发生位移，从而影响材料的性质。
近些年，研究人员利用化学特性的优点，并通过改变材料的成分、制备工艺以及晶格结构等方法，从化学持久性角度出发寻找提高材料韧性的策略。
二、机械性能的研究非晶态材料的力学性能与金属之间密切相关。
利用各种实验手段研究非晶态材料的力学性质，如光学显微术、X射线衍射、TEM、AFM等，研究材料的特性与微观结构。
三、晶格改造的研究非晶态材料的晶格结构、晶体形态、形态和电流密度关系等都对其力学性能产生影响。
通过改变非晶态材料的结构特性和晶格结构，能够实现材料性能的优化。
四、化学反应的研究非晶态材料具有较好的化学反应特性，而对于金属元素、化学反应条件和材料合适性等，不同的化学反应策略也会产生不同的结果，通过化学合成不同的非晶态材料，可以进一步探究各种化学反应条件、策略的优劣及影响因素等方面，并为其持续进一步的研究奠定了基础。
非晶态材料的制备与性质
非晶态材料的制备与性质非晶态材料是一类具有特殊物理和化学性质的材料。
它们没有规则的晶体结构，而是由原子或分子之间的无序排列构成。
在非晶态材料中，原子和分子呈现出一定的局部有序性，同时还存在着显著的无序性。
作为一种新型的材料，非晶态材料在诸多领域都有着非常广泛的应用。
本文将介绍非晶态材料的制备方法和性质特点。
一、非晶态材料的制备方法非晶态材料的制备方法主要有几种，包括快速凝固法、物理气相沉积法和化学溶液法等。
1、快速凝固法快速凝固法是最早被应用于制备非晶态材料的方法之一。
其基本原理是通过极快的冷却速度来降低原子和分子的运动能力，进而在固态状态下形成无序状态的固体。
快速凝固法的操作方式较为简单，可以通过数种不同的方式进行，如液滴法、熔滴法、磁控溅射法等。
其中，液滴法是应用最为广泛的一种方法。
快速凝固法制备出的非晶态材料具有结构紧密、热稳定性高、力学强度大等优良性质。
2、物理气相沉积法物理气相沉积法是一种新兴的制备非晶态材料的方法。
其过程是通过高温的物理气相沉积，在表面上一层层地沉积原子或分子，在原子间相互作用力的作用下构成非晶态结构。
物理气相沉积法具有制备非晶态材料时需要的原材料少、过程简单等优点，而且可以很容易地控制沉积速度和表面形貌。
目前，物理气相沉积法已在电子学、光学、存储器材料、传感器等领域发挥了十分重要的作用。
3、化学溶液法化学溶液法是一种制备非晶态材料的化学方法。
其过程是通过将所需材料加入适当的溶剂中，进行溶解、反应、沉淀等步骤，形成非晶态材料。
化学溶液法不仅可以制备出各种类型的非晶态材料，而且还可以制备出多层复合材料以及空心微球等高级复杂结构的纳米材料。
二、非晶态材料的性质特点非晶态材料具有许多特殊的性质，与晶体材料相比具有以下几个方面的不同。
1、无定形性非晶态材料中的原子或分子呈无定形态，不同原子之间的成键方式和断裂方式不同。
因此，非晶态材料的结构复杂，存在比较广泛的局部有序性和无序性。
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Fe72Cr8P13C7的耐腐蚀性能优于不锈钢 ✓ 某些非晶态材料的热膨胀系数接近于零 ✓ 非晶态材料也具有良好的催化性能
4.1 概述
非晶态材料的制备
14
应用
4.1 概述
非晶态材料的制备
是单相的均质固体
4.1 概述
非晶态材料的制备
5
4.1.2 非晶态的形成条件
非晶态可由气相、液相快冷形成，也可在固态直接 形成（如离子注人、高能粒子轰击、高能球磨、电 化学或化学沉积、固相反应等）
合金由液相转变为非晶态（金属玻璃）的能力，既 决定于冷却速度也决定于合金成分； 由固态形成需在高能辐射或机械驱动作用下也会发 生非晶化转变。
Fe-B-N）
4.1 概述
非晶态材料的制备
12
部分非晶态金属组成
表 2.1 部分非晶态金属组成
变压器
磁性 高频变压器 材料
Fe78B13Si9,Fe-B-C-Si,Fe-B 系,Fe-Co-Cr-B-(Si,Al)-Mn Fe-Si-B,Co-Fe-Mn-Si-B,Fe-B-Si-Cu,Fe-Cr-B-Si,Fe-Zr,Fe-Co-Cr-B-(Si ,Al),Fe-Co-B,Ni-Co 系,Fe 系
非晶态材料的制备
8
合金成分
非晶合金元素的重要性质
降低熔点：合金成分一般在“共晶”点附近，
使合金的熔点远低于纯金属
抑制晶格排列：抑制原子移动，阻碍晶格排列，
合金在冷却时被“冻结”成非晶
4.1 概述
非晶态材料的制备
9
Zr-Ti-Ni-Cu-Be精密器件
齿轮
凸轮
成型条件：390℃，6.5×10-4/s 齿轮约800-1000秒完成，凸轮约180秒完成
第4章 非晶态材料的制备
(Non-crystalline metals)
4.1 概述 4.2 非晶态材料的性能 4.3 非晶态材料的制备方法 4.4 非晶态材料的加工 4.6 非晶态材料的应用 4.7 展望
非晶态材料的制备
1
4.1 概述
非晶态金属（合金），也称金属玻璃， 是指非结晶状态的金属或合金。即高温熔液 以105℃/s以上的超急冷速度凝固，因而来不 及结晶而形成的结构。
这时在材料内部原子作不规则排列，因 而产生了晶态材料所没有的性能。
4.1 概述
非晶态材料的制备
2
4.1.1 非晶态原子结构
无晶面
晶面
a)晶体金属
b) 非晶态金属
晶体金属和非晶态金属原子排列的示意图
长程无序、短程有序
4.1 概述
非晶态材料的制备
3
径向分布函数
radial distribution function (RDF)
4.1 概述
非晶态材料的制备
10
高能辐射或机械驱动
除了从熔体急冷可获得非晶态之外，晶体材料在 高能幅照或机械驱动（如高能球磨、高速冲击等 剧烈形变方式）等作用下也会发生非晶化转变， 即从原先的有序结构转变为无序结构（对于化学 有序的合金还包括转为化学无序状态），这类转 变都归因于晶体中产生大量缺陷使其自由能升高， 促使发生非晶化
太阳能电池 Bi-Se,Cd-Se
薄膜触媒
Ni-B,Ni-P,Pd-B,Pd-P,Rh-B,Pt-B
4.1 概述
非晶态材料的制备
13
4.1.4 非晶态材料的性能与应用
性能
✓ 在结晶态强度较差的合金，通过非晶态化，可提高 强度和韧性
✓ 作为软磁材料可做变压器的铁芯，其磁损耗只相当 于冷轧硅钢片的1/3
耐腐蚀材料
Cr,Cr-Fe,Cr-W,Cr-Mo,Fe-W,Co-W,Ni-P,Fe-Cr-P,Co-Cr-P 系，
Ni-B,Fe-Si-P-Cr,Cr-Mo-P-C-Fe,稀有金属系, Fe-Ni-Co-(半金属)
复合材料用强化材
Fe-Si-B,Fe-Ni-C,Si-C 蒸着
其它 钎焊
Ti-Zr-Cu-Ni
15
4.1.5 非晶态材料的发展
世界上有关非晶态合金研究的最早期报道是1934年德国 人克雷默采用蒸发沉积法制备出的非晶态合金。
1950年，他的同胞布伦纳又声称用电沉积法制备出了Ni －P非晶态合金。
1960年，美国Duwez教授发明直接将熔融金属急冷制 备出非晶态合金的方法。与此同时，苏联的米罗什尼琴 科和萨利也报道了制备非晶态合金的相似装置。
4.1 概述
非晶态材料的制备
6
冷却速度
须使金属不产生晶核也不发生晶核长大
C字型曲线
冷却速度高于 临界冷却速度 以上时，金属 不再发生结晶
4.1 概晶述体形成温度与时间的关非晶系态材料的制备
7
临界冷却速度
对于纯金属 高于1010K/s
对于某些合金 103-106K/s
4.1 概述
典型非晶态金属形成时 所需要的冷却速度
1969年，美国人庞德和马丁关于制备一定连续长度条带 的技术为规模生产非晶态合金奠定了技术基础。
1976年美国联信公司利用快速凝固技术生产出10毫米宽 的非晶态合金带材，到1994年已经达到年产4万吨的能 力。
4.1 概述
非晶态材料的制备
16
4.2 非晶态金属的基本特性
G (r ) 4 r r 0
G (r ) 是以任一原子为中心在距离r处找到其 他原子的几率，
r 是距离为r处单位体积中的原子数目，
0 为整体材料中原子平均密度。
4.1 概述
非晶态材料的制备
4
微观组织特点
• 原子排列随机 • 没有晶界和因晶界而产生的晶体缺陷 • 宏观结构各向同性 • 成分波动较小、元素组合范围较宽、
4.1 概述
非晶态材料的制备
11
4.1.3 非晶态材料的种类
到目前为止所发现的非晶态金属的种类很多
按元素的组合，大体上可以分为五种： 1）过渡金属—半金属系列（Fe-B，Ni-P） 2）过渡金属—过渡金属系列（Fe-Zr，Ni-Zr） 3）过渡金属—稀土类系列（Co-Gd、Ni-La） 4）典型金属系列（Pd-Si、Mg-Zn） 5）含有气体元素的非晶态金属（如：Fe-Zr 系,Co70.3Fe4.7Si15B10,Co-B 系,Fe-Co-Ni-B 系,Co 系 Se+Te,第Ⅳ族金属
磁保护
Co-Fe-Si-B,Fe-B-Si,Fe-Ni-Mn-B,Ni-P,Ni-B 系
饱和扼流圈
Co-Fe-Si-B,Co-Fe-M-Si-B,Co 系