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1、1材料制 备方法*3.2 非晶态材料的形成理论 3.1 非晶态材料的基本概念和基本性质 3.3 非晶态材料的制备原理与方法 Zhang Mingang, College of MSE, TYUST2材料制 备方法*3.1 非晶态材料的 基本概念和基本性质 3.1.1 非晶态材料的基本概念 3.1.2 非晶态材料的分类3.1.3 非晶态材料的特性Zhang Mingang, College of MSE, TYUST3材料制 备方法*3.1 基本概念和基本性质 3.1.1 基本概念 1) 1) 晶态（晶态（crystalline statecrystalline state） 各向异性，原子规排
2、，固定熔点，长程有序 2) 2) 非晶态（非晶态（noncrystallinenoncrystalline state state） 各向同性，无固定熔点，没规则外形，长程无序，短程 有序（玻璃） 3) 3) 准晶态（准晶态（quasicrystallinequasicrystalline state state） 具有一般晶体不能有的对称性（如五次对称轴） 4) 4) 液晶（液晶（liquid crystalsliquid crystals） 有机物加热时所经历的某一不透明的浑浊液态阶段（中 间相），具有和晶体相似的性质，又称中间相或介晶。 5) 5) 超晶格（点阵）（超晶格（点阵）（sup
3、er latticesuper lattice） 是将两种或两种以上不同材料按照特定的迭代序列、沉 积在衬底上而构成的（可是周期、准周期、随机三种） ；超晶格自然界不存在，人工生长出来的，用于半导体 薄膜。 Zhang Mingang, College of MSE, TYUST4材料制 备方法*3.1.1 基本概念 原子排列示意图a) 晶体 b) 无定形体c) 气体a) 晶体有序c) 气体无序b) 非晶体无序Zhang Mingang, College of MSE, TYUST5材料制 备方法*3.1.1 基本概念 1 1、有序态和无序态2 2、长程有序和短程有序3 3、单晶体、多晶体、微
4、晶体和非晶体Zhang Mingang, College of MSE, TYUST6材料制 备方法*3.1.1 基本概念 4 4、 非晶态的基本定义组成物质的原子、分子的空间排列不呈周期性和 平移对称性，晶态的长程有序受到破坏，只有由于原 子间的相互关联作用，使其在小于几个原子间距的小 区间内（11.5nm），仍然保持形貌和组分的某些有序 特征而具有短程有序，这样一类特殊的物质状态统称 为非晶态。Zhang Mingang, College of MSE, TYUST7材料制 备方法*3.1.1 基本概念 4 4、 非晶态的基本定义 非晶态材料在微观结构上具有的三个基本特征：(1)只存在小区
5、间内的短程有序，在近邻和次近邻原子 间的键合（如配位数、原子间距、键角、键长等）具有 一定的规律性，而没有任何长程有序；(2）它的衍射花样是由较宽的晕和弥散的环组成，没 有表征结晶态的任何斑点和条纹，用电镜看不到晶粒、 晶界、晶格缺陷等形成的衍衬反差；(3)当温度连续升高时，在某个很窄的温区内，会发生 明显的结构相变，是一种亚稳态材料。Zhang Mingang, College of MSE, TYUST8材料制 备方法*AmorphousCrystalPolycrystalZhang Mingang, College of MSE, TYUST9材料制 备方法*3.1.1 基本概念 4 4
6、、 非晶态的基本定义相关名词：相关名词：非晶态材料无定型玻璃态材料“非晶态”“玻璃态”原子无序地堆积的凝固状态。金属玻璃Zhang Mingang, College of MSE, TYUST10材料制 备方法*3.1 基本概念和基本性质 3.1.2 非晶态材料分类 n1960年，美国加州理工学院P. Duwez教授 的研究小组用液态金属快速冷却的方法， 从工艺上突破了制备非晶态金属和合金的 关键，后经其他人的发展，做到能以每分 钟2km的高速连续生产，并正式命名为金 属玻璃Metglass。Zhang Mingang, College of MSE, TYUST11材料制 备方法*3.1.2
7、 非晶态材料分类 1 1、非晶态合金2 2、非晶态半导体材料3 3、非晶态超导体4 4、非晶态高分子5 5、非晶体玻璃 Zhang Mingang, College of MSE, TYUST12材料制 备方法*3.1.2 非晶态材料分类 常见的非晶态合金常见的非晶态合金迄今为止，非晶态合金的种类已达数百种之多。迄今为止，非晶态合金的种类已达数百种之多。主要包括VIIB，VIIIB族及IB族元素与类金属元素形成 的合金，如Pd80Si20，Au75Si25，Fe80B20，Pt75P25等，合金 中类金属元素的含量一般在1325（原子百分比）。 但近年也发现了一些类金属元素含量可在一定范围内变
8、化 的非晶态合金，如NiB31-34，CoB17-41，PtSb34-36.5等。在这 类合金基础上可加入一种或多种元素形成三元甚至多元合 金，如在Pd80P20中加入Ni，形成Pd40Ni40P20。研究表明， 这种三元合金形成非晶态要比对应的二元合金容易得多。 此外，IVB和VIB族金属与类金属也可以形成非晶态合金。 如TiSi15-20等。1 1） 过渡族金属与类金属元素形成的合金过渡族金属与类金属元素形成的合金Zhang Mingang, College of MSE, TYUST13材料制 备方法*3.1.2 非晶态材料分类 常见的非晶态合金常见的非晶态合金2) 2) 过渡族金属元素
9、之间形成的合金过渡族金属元素之间形成的合金这类合金在很宽的温度范围内熔点都比较低、形成非晶态的成分范围较宽。如Cu-Ti33-70, Cu-Zr27.5-75, Ni-Zr27.5-75，等。Zhang Mingang, College of MSE, TYUST14材料制 备方法*3.1.2 非晶态材料分类 常见的非晶态合金常见的非晶态合金3 3）含）含II IIA A族族( (碱金属碱金属) )元素的二元或多元合金元素的二元或多元合金除以上三类非晶态合金外，还有以锕系金属为基的非 晶态合金，如U-Co24-40, Np-Ca30-40，Pu-Ni12-30等。如Ca-A112.5-17.
10、5，Ca-Cu12.6-62.5, Ca-Pd，Mg-Zn25-32， Be-Zr50-70，Sr70Mg30等。这类合金的缺点是化学性质较活泼，必须在惰性气体中 淬火、最终制得的非晶态材料容易氧化。Zhang Mingang, College of MSE, TYUST15材料制 备方法*3.1 基本概念和基本性质 3.1.3 非晶态材料的特性 1、力学性能非晶态材料具有极高的强度和硬度，其强度远超过晶 态的高强度钢。此外，非晶态材料的疲劳强度亦很高，钴 基非晶态合金可达1200MPa；非晶态合金的延伸率一般较 低，但其韧性很好，压缩变形时，压缩率可达40，轧制 压率可达50以上而不产生裂纹
11、；弯曲时可以弯至很小曲 率半径而不折断。可以被利用制做刀具以及轮胎、传送带、水泥制品及高 压管道的增强纤维；另一方面，利用非晶态合金的机械性 能随电学量或磁学量的变化，可制做各种元器件如用铁 基或镍基非晶态合金可制做压力传感器的敏感元件。Zhang Mingang, College of MSE, TYUST16材料制 备方法*3.1.3 非晶态材料的特性 Zhang Mingang, College of MSE, TYUST17材料制 备方法*3.1.3 非晶态材料的特性 2 2、软磁特性、软磁特性非晶态合金由于其结构上的特点无序结构，不 存在磁品各向异性因而易于磁化；而且没有位错、 晶界
12、等品体缺陷，故磁导率、饱和磁感应强度高；矫 顽力低、损耗小，是理想的软磁材料。目前比较成熟的非晶态软磁合金主要有:铁基，铁-镍基和钴基三大类。金属玻璃在磁性材料方面的应用主要是作为变压器材 料、磁头材料、磁屏敝材料、磁致伸缩材料及磁泡材料 等。Zhang Mingang, College of MSE, TYUST18材料制 备方法*3.1.3 非晶态材料的特性 2 2、软磁特性、软磁特性Zhang Mingang, College of MSE, TYUST19材料制 备方法*3.1.3 非晶态材料的特性 3 3、 耐蚀性能耐蚀性能晶态金属材料中，耐蚀性较好的是不锈钢。但不锈钢 在含有侵蚀性
13、离子（如卤离子）的溶液中，一般要发生点 腐蚀和晶间腐蚀。非晶态合金在中性盐溶液和酸性溶液中的耐蚀性要比 不锈钢好得多。非晶态合金的耐蚀性主要是由于生产过程中的快冷， 导致扩散来不及进行，所以不存在第二相，组织均匀；其 无序结构中不存在晶界，位错等缺陷；非晶态合金本身活 性很高能够在表面迅速形成均匀的钝化膜，阻止内部进一 步腐蚀。Zhang Mingang, College of MSE, TYUST20材料制 备方法*3.1.3 非晶态材料的特性 3 3、 耐蚀性能耐蚀性能目前对耐蚀性能研究较多的是铁基、镍基、钴基非晶态合金， 其中大都含有铬。利用非晶态合金的耐蚀性，用其制造耐腐蚀管道、电池的
14、电极 、海底电缆屏蔽、磁分离介质及化工用的催化剂、污水处理系统中 的零件等都已达到实用阶段。Zhang Mingang, College of MSE, TYUST21材料制 备方法*3.1.3 非晶态材料的特性 4 4、 超导电性超导电性5 5、非晶半导体的光学性质、非晶半导体的光学性质6 6、其它性质、其它性质Zhang Mingang, College of MSE, TYUST22材料制 备方法*Zhang Mingang, College of MSE, TYUST23材料制 备方法*3.2 非晶态材料 的形成理论 3.2.1 动力学理论 3.2.2 结构化学理论3.2.3 非晶态的
15、形成与稳定性理论3.2.4 非晶态材料的结构模型Zhang Mingang, College of MSE, TYUST24材料制 备方法*3.2 非晶态材料 的形成理论 非晶态合金的结构模型非晶态合金的结构模型1）微晶模型认为非晶态材料是由“晶粒”非常细小的微晶粒组 成。微晶模型用于描述非晶态结构中原子排列情况还存在许 多问题，使人们逐渐对其持否定态度。2）拓扑无序模型该模型认为非晶态结构的主要特征是原子排列的混乱和 随机性，强调结构的无序性，而把短程有序看作是无规堆 积时附带产生的结果。此模型对于描述非晶态材料的真实结构还远远不够准确 。但目前用其解释非晶态材料的某些特性如弹性、磁性等 ，
16、还是取得了一定的成功。Zhang Mingang, College of MSE, TYUST25材料制 备方法*3.2 非晶态材料 的形成理论 最稳定或者最快？ CurtinHammett原理: 产生最可能晶体结构的途径是最快的, 因为对此 能态的激活能势垒(G)较低(Gkinetic)，热力学稳定的晶体的形成将在较 长时间形成，因为热力学势垒较高(Gthermodynamic), 但是很稳定，因为 最终的能量是最低的。 如果同样的晶体结构 在动力学上或者热力 学上都有利, 多态现 象几乎是不存在的。Zhang Mingang, College of MSE, TYUST26材料制 备方法* Bulk Metallic Glasses： Glass Formation and Alloy Design 在块状金属玻璃(BMGsb
