第二章非晶态合金综述

非晶态合金的性能及其应用非晶态材料是目前材料科学中广泛研究的一个新领域,也是一种发展迅速的新型材料。

所谓的“非晶态”，是相对晶态而言的，是物质的另一种结构状态。

它不像晶态那样是原子的有序结构，而是一种长程无序，短程有序的结构，有点类似金属液体的结构。

一些合金的非晶态赋予了它比晶态更优异的物理化学性能，使得非晶态材料的研究受到广泛关注。

在非晶态合金中不存在晶态合金中所存在的晶界、位错、扭曲等缺陷，使得其具有优异的机械、物理和化学性能，同时也使得非晶态合金展现出强大的生命力。

1、在机械性能方面，非晶态合金具有高强度、高硬度、高耐磨性、高疲劳抗力、屈服时完全塑性、无加工硬化现象。

非晶态合金具有极高的断裂强度和屈服强度，如非晶态Fe基合金（Fe80P15C5，Fe72Ni8 P15C7）屈服强度在2000~3000MPa，断裂强度约3000MPa，最高达4000MPa，可以用于制作飞机起落架。

还可以通过改变成分及控制制备工艺条件等改善其力学性能，以获得超高强度的合金。

对于金属材料，通常是高强度、高硬度而较脆，而非晶合金则两者兼顾，它们不仅强度高，硬度高，而且韧性也较好。

非晶态合金在变形时无加工硬化现象。

低温时的塑性变形为不均匀变形，而高温时显示出均匀的粘滞性流动。

非晶态金属的动态性能也很好，它有高的疲劳寿命和良好的断裂韧性。

和非金属玻璃的脆性断裂不同，它的断裂是通过高度局域化的切变变形实现的。

许多非晶态金属玻璃带，即使将它们对折，也不会产生裂纹。

2、在化学性能方面，非晶态合金具有较好的耐腐蚀。

由于没有晶粒和晶界，非晶态合金比晶态金属更加耐腐蚀，非晶态耐蚀合金不仅在一般情况下不发生局部腐蚀，而且对于在特殊条件下诱发的点蚀与缝隙腐蚀也能抑制其发展。

利用非晶态合金耐腐蚀的优点，可以制造耐蚀管道、电池电极、海底电缆屏蔽、磁分离介质及化学工业的催化剂，目前都已达到了实用阶段，非晶态合金的耐蚀性还可用于长期在泥沙、水流中工作的水轮机上，将大大提高其使用寿命，减少维修费用。

非晶态合金材料的制备及应用随着科技的不断发展，人们对材料的需求也越来越高，尤其是在新能源、高速交通、电子信息等领域，对材料性能的要求更是严苛。

非晶态合金材料作为一种新材料，其具有优异的物理性能、化学性能、机械性能以及独特的制备工艺，在现代工程领域得到了广泛的应用。

本文将深入探讨非晶态合金材料的制备及应用。

一、非晶态合金材料的概念非晶态合金材料（Amorphous metal）是指在快速冷却过程中自发形成无定形结晶状态（非晶态）的金属合金材料。

它是一种为获得非晶态而制备的合金材料，由于材料的玻璃状无定形结构，具有许多传统合金所不具备的优秀机械性能、防腐性能、磁性能等。

二、非晶态合金材料的制备方法目前，非晶态合金材料的制备方法主要有四种：快速凝固法、溅射法、电化学合成法和机械法。

1、快速凝固法快速凝固法是指将高温熔融状态的合金，以极快的速度（几千℃/s）冷却固化，使其形成非晶态的制备方法。

常用的快速凝固方法有液滴冷却法、快速旋转法、单辊震荡法、直流磁控溅射法等。

2、溅射法溅射法是指在真空或惰性气体氛围下，将靶材表面原子部分蒸发后沉积在基板上形成薄膜的制备方法。

溅射合金材料大多是非晶态的。

溅射法制备的非晶态合金材料具有制备工艺简单、制备速度快等优点。

3、电化学合成法电化学合成是将金属阳极和对应离子溶液中的阴极通过外电路连接在一起，在电解的过程中通过氧化还原反应，将阳极上的金属元素离子还原并沉积在阴极表面，形成非晶态合金薄膜的制备方法。

4、机械法机械法是指通过机械能量改变材料的结构形态，制备非晶态合金材料的制备方法。

机械法制备的非晶态合金材料具有制备易度高、无需真空高温、不易受到氧化损害等优点。

三、非晶态合金材料的应用领域1、新能源领域非晶态合金材料在新能源领域中具有广泛应用。

比如，用非晶态合金材料代替传统铜线制造变压器，能够大大提高能源利用率和变压器的性能；将非晶态合金材料与锂离子电池等新型蓄电池的电极材料组合在一起，能够大幅提升其能量密度和循环寿命等性能；非晶态合金材料也是太阳能电池制造材料的新方向。

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。

我们先从非晶材料说起，在日常生活中人们接触的材料一般有两种：一种是晶态材料，另一种是非晶态材料。

所谓晶态材料，是指材料内部的原子排列遵循一定的规律。

反之，内部原子排列处于无规则状态，则为非晶态材料, 一般的金属，其内部原子排列有序，都属于晶态材料。

科学家发现，金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。

一但金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。

如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金,制备非晶态合金采用的正是一种快速凝固的工艺。

将处于熔融状态的高温液体喷射到高速旋转的冷却辊上。

合金液以每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300℃的合金液降到室温，形成非晶带材。

非晶态合金与晶态合金相比，在物理性能、化学性能和机械性能方面都发生了显著的变化。

以铁基非晶合金为例，它具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点。

由于这样的特性,非晶态合金材料在电子、航空、航天、机械、微电子等众多领域中具备了广阔的应用空间。

例如，用于航空航天领域，可以减轻电源、设备重量，增加有效载荷。

用于民用电力、电子设备，可大大缩小电源体积，提高效率，增强抗干扰能力。

微型铁芯可大量应用于ISDN中的变压器。

非晶条带用来制造超级市场和图书馆防盗系统的传感器标签。

非晶合金神奇的功效，具有广阔的市场前景。

在对非晶材料有了初步的了解后,我们再来看一下非晶带材的一个非常具有前景的应用领域——非晶变压器。

非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料——非晶合金制作铁芯而成的变压器，它比硅钢片作铁芯变压器的空载损耗(指变压器次级开路时，在初级测得的功率损耗)下降80%左右，空载电流(变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流)下降约85%，是目前节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等配变利用率较低的地方。

非晶合金铁芯配电变压器的最大优点是，空载损耗值特低。

非晶合金变压器设计非晶合金变压器设计1 非晶合金变压器综述1.1非晶合金材料在日常生活中人们接触的材料一般有两种：一种是晶态材料，另一种是非晶态材料。

所谓晶态材料，是指材料内部的原子排列遵循一定的规律。

反之，内部原子排列处于无规则状态，则为非晶态材料, 一般的金属，其内部原子排列有序，都属于晶态材料。

科学家发现，金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。

一但金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。

如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金,制备非晶态合金采用的正是一种快速凝固的工艺。

将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。

钢水以每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300℃的钢水降到200℃以下，形成非晶带材。

非晶态合金与晶态合金相比，在物理性能、化学性能和机械性能方面都发生了显著的变化。

以铁元素为主的非晶态合金为例，它具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点。

由于这样的特性,非晶态合金材料在电力、能源、电子、航天、机械、微电子等众多领域中具备了广阔的应用空间。

例如，用于航空航天领域，可以减轻电源、设备重量，增加有效载荷。

用于民用电力、电子设备，可大大缩小电源体积，提高效率，增强抗干扰能力。

微型铁芯可大量应用于综合业务数字网ISDN中的变压器。

非晶合金神奇的功效，具有广阔的市场前景。

1.2非晶合金的主要特点（1）非晶合金铁心1）非晶合金铁心片厚度极薄，仅0.025mm，不到常用硅钢片的1/10；叠片系数较低，只有0.86；带材有142、170、213mm3种宽度。

2）非晶合金的饱和磁通密度较低，单相变压器一般取1.3～1.4T，三相变压器一般取1.25～1.35T，因此，产品设计受到材料的限制。

3）非晶合金的硬度较大，是取向硅钢片的5倍，因此，加工剪切很困难，对设备、刀具要求较高。

一般是对边缘剪切处进行加温从而获得良好的剪切面，心柱由同一宽度的非晶合金带卷制而成，故铁心截面呈长方形，相应的高、低压绕组均为矩形。

非晶态合金整理非晶态是物质的一种结构状态, 它是相对于晶态而言的。

晶态是原子的有序排列, 而非晶态是一种长程无序、短程有序的结构。

由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，称之为非晶态合金，也称为金属玻璃，外观与金属晶体没有区别，密度仅略低于相同成分的金属晶体，表明二者的原子间距离相似。

非晶态合金原子排列既不具备晶态物质那种长程有序性，又不像气体中的原子那样混乱无序，而是在每个原子周围零点几纳米内，最近邻原子数及化学键的键长、键角与晶态固体相似。

非晶态合金原子在三维空间呈现拓扑无序排列, 它具有以下2个特点。

(1) 在非晶态合金中, 金属的原子排列是无序的, 不存在结晶金属所具有的晶界、缺陷、偏析和析出物等, 与晶体不同, 它具有各向同性的特点。

(2) 非晶态合金不受化合价的限制, 在一定范围内可以自由调节其组成。

因此, 它具有许多晶体所不具有的优异特性, 如高透磁率和超导性、耐放射线特性、催化特性、高耐蚀性、高强度和高耐磨性等。

早在1911 年, G. T. Beilby 等人从理论上预测: 由熔体急冷方法可以制成非晶态合金。

1930 年, 人们用电化学的方法制备出了N-i S 非晶态合金。

1957 年,A. Brenner 又用电镀法制成了非晶态N-i P 及Co-P 合金。

1958年,Arderson 发表了开创性的论文, 首先提出了“扩散在一定的无规点阵中消失”的观点。

同年, 有关非晶态固体的第一次国际会议召开。

随后, 1959 年就开始有了关于化学镀N-i Co-P 非晶态合金的报道。

1960年，P.Duwez将熔融的Au-Si合金喷射到冷的铜板上，以大约每秒一百万度以上的降温速度快速冷却，使液态合金来不及结晶就凝固，首次获得非晶态合金。

从此, 非晶态物理与材料的研究发展作为材料科学的一个重要分支成为了一门新兴的科学。

四、非晶合金与准晶长期以来，提到合金指的就是晶态合金。

提到非晶态，指的是玻璃态的硅酸盐。

上个世纪六十年代，非晶态合金的出现，改变了这种情况。

概述铂铱合金铜合金钛合金合金非晶态1.1 非晶合金的结构特征晶体与非晶体都是由气态、液态凝结而成的固体，由于冷却速率不同，造成结构迥然不同。

晶体是典型的有序结构，原子有规则地排列在晶体点阵上形成对称性；非晶态与气态、液态在结构上同属无序结构，它是通过足够快的冷却发生液体的连续转变，冻结成非晶态固体。

晶体非晶体气体晶体、非晶体、气体原子排列示意图非晶态合金以金属为主的合金材料从液态快速凝固，形成一种结构上类似玻璃的合金，这类合金称为非晶态合金，又称为金属玻璃（metallic glass) 。

非晶材料在微观结构上具有以下基本特征：1. 存在小区间的短程有序，没有长程有序。

2. 热力学不稳定。

体系自由能较高，有转变为晶态的倾向。

温度升高，非晶材料会发生明显的结构转变，因此它是一类亚稳态材料。

但由于亚稳态转变到自由能最低的稳态须克服一定的能量势垒，因此这种亚稳态在一定温度范围内长期稳定存在；当加热温度超过一定值T(晶化温度)后才会发生稳c定化转变，形成晶态，即原子趋于规则排列。

3. 均匀性一层含义：结构均匀、各向同性。

它是单相无定形结构，没有象晶体那样的结构缺陷，如晶界、孪晶、晶格缺陷、位错、层错等。

二层含义：成分均匀性。

在非晶态金属形成过程中，无晶体那样的异相、析出物、偏析以及其他成分起伏4. 非晶态材料的X-射线衍射图只有较圆滑的漫射峰，而晶态有尖锐的衍射峰；非晶态的选区电子衍射花样由较宽的晕和弥散环组成，没有表征晶态结构的斑点和条纹。

径向分布函数示意图g(r) Radial Distribution原子径向分布函数2Rg⋅=RDFπR4(R))(双体概率函数g(R)相当于取某一原子为原点(R = 0)时，在距原点为R处出现另一原子的几率，由此描述原子排列情况。

非晶态合金制备及应用研究非晶态合金，也叫做无晶态合金或非晶态金属，是指具有非晶态结构（即没有规则排列的晶体结构）的合金。

与晶态合金相比，非晶态合金具有很多优点，如高韧性、高硬度、高耐蚀性、低磨损率等，因此在航空、汽车、电子、生物医学等众多领域得到了广泛的应用。

一、非晶态合金的制备方法目前，制备非晶态合金的主要方法包括快速凝固法和物理气相沉积法两种。

快速凝固法是指在液态合金状态下，将其迅速冷却并凝固成非晶态合金。

具体方法有：1. 熔体冷却法：将液态金属倒入铜轮上，利用轮速快速冷却。

这种方法可以制备出大量长薄带状的非晶态合金材料。

2. 射流凝固法：将液态金属射流喷向冷凝器，利用冷凝器的低温使金属迅速凝固成非晶态合金。

这种方法可以制备出粉末状的非晶态合金材料。

物理气相沉积法是指利用物理气相反应，将气态原料沉积到基板上，形成非晶态合金薄膜。

具体方法有：1. 磁控溅射法：利用磁场将金属靶材表面的原子击发并沉积到基板上，形成非晶态合金薄膜。

2. 分子束外延法：利用高能量的分子束将原子沉积到基板上，形成非晶态合金薄膜。

二、非晶态合金的应用研究目前，非晶态合金已经在多个领域得到广泛的应用。

1. 航空领域：由于非晶态合金具有高强度、高韧性、高耐蚀性等优点，因此在航空领域得到了广泛的应用。

例如，利用非晶态合金制造的飞机零件可使飞机的重量减轻，燃油消耗量降低，从而提高飞机的性能和经济效益。

2. 汽车领域：非晶态合金因具有高硬度、高韧性、高耐蚀性等优点，被广泛应用于汽车发动机、传动系统等零部件的制造。

例如，利用非晶态合金制造的轮胎钢丝可大大提高轮胎的耐磨性和安全性。

3. 电子领域：非晶态合金因具有低磁滞、高导电、高热阻等特点，因此在电子领域得到了广泛的应用。

例如，利用非晶态合金制造的变压器可以使电力变换的效率提高，同时也可以降低能量损失。

4. 生物医学领域：非晶态合金由于具有高生物相容性、低腐蚀性等优点，因此在生物医学领域表现出广泛的应用前景。