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1、2018/9/18,1,非晶态材料的制备,2018/9/18,2,晶体和非晶体都是真实的固体，基本的区别在于它们微观的原子尺度结构上的不同。在晶体中原子的排列具有长程有序。相反在非晶态固体中没有长程序，原子的排列极其无序,非晶的结构,2018/9/18,3,非晶态材料的特性,1. 高强度、高韧性高强度、高韧性是金属玻璃的宝贵性质。对于金属材料，通常是高强度、高硬度，但是韧性较差。非晶态金属（金属玻璃）不仅强度高、硬度大，而且韧性也较好。铁基和钴基非晶态合金的维氏硬度可达9800N/mm2 ，抗拉强度大4000N/mm2 ，比目前强度最高的钢高出许多。其耐磨性也明显地高于钢铁材料,2018/9/
2、18,4,非晶态材料的特性,应用：利用非晶态合金的高强度、高韧性，已经开发用于轮胎、传送带水泥制品及高压管道的增强纤维。此外，还可开发用于制备特殊切削刀具。,非晶态金属将重振金属王国雄风,2018/9/18,5,非晶态材料的特性,2. 优异的耐蚀性，优于典型的不锈钢,因为其表面易形成薄而致密的钝化膜；同时其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶粒、晶界和缺陷和不易产生引起电化学腐蚀的阴、阳两极。,2018/9/18,6,非晶态材料的特性,应用：制造耐腐蚀管道、电池电极、海底电缆屏 蔽、化学工业的催化剂，目前都已达到实用阶段。,PG-NC非晶态钢领,2018/9/18,7,非晶态材料的特性,3.
3、非晶态金属优良的磁学性能；低损耗、高磁导，成为引人注目的新型材料。 目前使用的软磁材料主要有硅钢、铁-镍坡莫合金及铁氧体，这些都是结晶材料，具有磁晶各向异性而互相干扰，结果使磁导率下降。而非晶态合金中没有晶粒，不存在磁晶各向异性，损耗低。非晶态的铁芯和硅钢芯的空载损耗可降低60-80，被誉为节能的“绿色材料”。,2018/9/18,8,非晶态材料的特性,4.超导电性由于超导合金较脆，不易加工成磁体和传输 导线。1975年Duwez首先发现La-Au非晶态合 金具有超导性，后来又发现了许多其他非晶 态超导合金。,2018/9/18,9,非晶态材料的特性,5. 非晶半导体的光学性质非晶态半导体可分
4、为离子型和共价型两大类。一类包括卤化物玻璃、氧化物玻璃，特别是过渡金属氧化物玻璃。另一类是元素半导体。如非晶态Si、Ge等。这些非晶态半导体呈现出特殊的光性质。 （1）光吸收非晶态半导体的本征吸收变的位置有些移动。,2018/9/18,10,非晶态材料的特性,（2）光电导所谓的光电导是指在光照射下产生了非平衡的载流子，从而引起材料的电导率发生变化的一种光学现象。由于非晶态半导体是高阻材料，而且存在着大量的缺陷定域态，在光照产生非平衡载流子的同时，缺陷态上的电子浓度也要发生变化。而缺陷态可能带正电、中性和负电，导致不同的载流子俘获能力，从而影响到光电导的大小。,2018/9/18,11,非晶态材
5、料的特性,（3）光致发光性质 6. 其他性质非晶态材料具有室温电阻率高和负的电阻温度系数。例如，大多数的非晶态合金的电阻率比晶态合金高出2-3倍，但其电阻率随着温度的升高而降低。,2018/9/18,12,非晶材料的制备原理和方法,气体,液体,非晶体,晶体,2018/9/18,13,非晶材料的制备原理和方法,非晶态材料的制备原理,要获得非晶态，最根本的条件就是要有足够快的冷却速率，并冷到材料的再结晶温度以下。 非晶态固体的一个基本特征是：构成非晶体的原子或分子在很大程度上排列混乱，体系的自由能比相应的晶态更高，因而在热力学上是亚稳态。,2018/9/18,14,非晶材料的制备原理和方法,制备非
6、晶态材料的技术关键是：（1）必须形 成原子或分子混乱排列的状态；（2）将这种 热力学亚稳态在一定温度范围内保存下来， 并使之不向晶态发生转变。,2018/9/18,15,非晶材料的制备原理和方法,非晶态材料的制备方法： 1. 粉末冶金制备非晶态材料的早期方法。首先用急冷 法获得非晶粉末，然后用粉末冶金方法将粉 末压制或粘结成型。粉末冶金技术中的许多问题限制了该法 的应用。,2018/9/18,16,非晶材料的制备原理和方法,2. 气体直接凝聚法采取的措施有：真空蒸发、溅射、化学气相沉积等。 （1）溅射与通常制备晶态材料的溅射方法相同，但对底板冷却要求更高。先将样品制成多晶，压制成型，预烧，作为
7、溅射用靶，抽真空后在氩气气氛进行溅射,2018/9/18,17,非晶材料的制备原理和方法,（2）真空蒸发沉积 这种方法是用液氨或液氦冷底板加工制备非晶材料。为了减少杂质的掺入，常在超真空系统进行操作。 （3）电解和化学沉积法 该法工艺简单、成本低廉，适合制备大面积非晶态薄层。,2018/9/18,18,非晶材料的制备原理和方法,（4）辉光放电分解法该法是目前用于制备非晶半导体锗和硅的最 常见的技术。 其原理是：将锗烷和硅烷放进真空室内，用直流或 交流电场加以分解。分解出的锗或硅原子沉积在热 的衬底上，快速冷凝而形成非晶态膜。除上述四种方法外，近年来激光加热法和离子注 入法也用以在材料表面形成非
8、晶态物质。,2018/9/18,19,非晶材料的制备原理和方法,3. 液体急冷法如果将熔融金属以大于105/s的速度急冷，使液 体金属中比较紊乱的原子排列保留到固体，则可以 获得非晶态金属（金属玻璃）。该法为提高冷却速度，需满足：以良好的导热 体作基板；液体与基板接触良好；液体层必须 相当薄；液体与基板开始接触到凝固的时间需减 量缩短。,2018/9/18,20,非晶材料的制备原理和方法,（1）喷枪法原理：将少量金属装入一个底部有一 直径约为1mm小孔的石墨坩埚中，用感应加热 或电阻加热，在惰性气氛中熔化；然后用冲 击波使液体由小孔很快喷出，打在铜基板上 形成薄膜。,2018/9/18,21,
9、2018/9/18,22,非晶材料的制备原理和方法,（2）锤砧法 原理：两个导热表面迅速的相对运动而积压 落入它们之间的液珠，这此液珠被压制成薄 膜，并急冷成金属玻璃。该法制得的薄膜比用喷枪法制得的均匀， 且两面光滑。,2018/9/18,23,锤砧法制备非晶材料工艺图,2018/9/18,24,非晶材料的制备原理和方法,上述两种方法都是不连续的过程。 （3）离心法原理：将金属材料装入石英管中，并用管 式炉或高频感应炉熔化，然后将石英管降至 旋转的圆筒内，通入高压气体迫使熔体流经 石英管底部的小孔而喷射到高速旋转的圆筒 内壁，同时缓慢提升石英管从而得到螺旋状 条带。,2018/9/18,25,
10、非晶材料的制备原理和方法,（4）压延法压延法又称双辊法，将金属液流经石英管 底部小孔喷射到一对高速旋转的辊子之间而 形成金属玻璃条带。由于辊间有一定的压力，条带从两面冷 却，并由良好的热接触，故条带两面光滑， 且厚度均匀。但此法工艺要求非常严格。,2018/9/18,26,双辊法制备工艺示意图,2018/9/18,27,非晶材料的制备原理和方法,（5）单辊法 原理：将熔体喷射到高速旋转的辊面上而形成连 续的条带。喷嘴与辊面距离应尽量小。条带的宽度 由喷嘴的形状来控制。 （6）熔体沾出法原理：当金属圆盘紧贴熔体表面高速旋转时，熔体 被圆盘沾出一薄层，随着急冷成条带。该法冷却速 度不及上述方法。,
11、2018/9/18,28,单辊法制备非晶条带,2018/9/18,29,非晶材料的制备原理和方法,（7）熔滴法原理：合金棒下端由电子束加热熔化，液 滴接触到转动的辊面上，随即被拉长，并凝 固成丝或条带。 该法的优点：不需要坩埚，避免污染；不存 在喷嘴的孔型问题，适合于制备高熔点的金 属。,2018/9/18,30,熔滴法纺丝法制备非晶材料,2018/9/18,31,非晶态材料的应用,金属玻璃 美研制出金属玻璃 “终结者”的材料变现实,终结者3中的T-3000可以任意变形,2018/9/18,32,非晶态合材料的应用,金属玻璃,2018/9/18,33,非晶态材料的应用,什么是金属玻璃 金属玻璃
12、听上去就像一个似乎“不可思议”的东西。1960年，美国科学家皮-杜威等首先发现金-硅合金等液态贵金属合金在冷却速度非常快的情况下，当金属内部的原子来不及“理顺”位置，仍处于无序紊乱状态时，便马上凝固了，成为非晶态金属。这些非晶态金属具有类似玻璃的某些结构特征，故称为“金属玻璃”。,2018/9/18,34,非晶态材料的应用,敲不烂打不碎 随心所欲捏外形,金属和玻璃的最大差别在于：金属在从液态冷却凝固的过程中有确定的凝固点，原子按一定的规律排列，形成晶体；而玻璃从液态到固态是连续变动的，没有明确的分界线，即没有固定凝固点。 用锤子砸晶体金属，它将弯曲并吸收晶粒周围释放的能量。但是在无定性金属中原
13、子被紧紧地“挤”在一起，在受到敲打时很易恢复到原状。这种金属玻璃的像液体结构意味着它们的熔化点的温度很低，能够像塑料一样容易被弄成想要的形状。,2018/9/18,35,非晶态材料的应用,比钢强度高弹性大 美国加州的技术公司改进了金属玻璃技术。制造出的这种金属玻璃的强度比最好的工业用钢强度高3倍，弹性大10倍，其性能几乎可以和终结者“媲美”。 这种反常的结构使得金属玻璃的前景非常看好。这种金属玻璃优质的性能使得美国国防部考虑采用它；而韩国三星也打算用这种材料制造手机零部件,2018/9/18,36,非晶态材料的应用,形状记忆合金20世纪60年代初，美国马里兰州海军军械研究所的科学家比勒，用镍钛
14、合金丝做试验。这些合金丝弯弯曲曲，为了使用方便，他把这些合金丝弄直了。但是，当他无意中把合金丝靠近火的时候，奇迹发生了：已经弄直的合金丝居然完全恢复了它们原来弯弯曲曲的形状。,2018/9/18,37,非晶态材料的应用,形状记忆合金之所以具有“记忆智能”，是因为它们都有自己特定的转变温度。以镍钛合金来说，它的转变温度在40左右，在40以上时它很坚硬，强度也很高；在40以下时，它相当软，强度低，可以方便地做成各种形状。这样当我们需要它“记住”某种形状时，可以先把它做成那种形状，进行“热处理”，让它牢牢记住。在转变温度以下它很软，可以随意变形，若要它恢复原形，只要加热到转变温度以上就行了。人们已经
15、发现了几十种形状记忆合金，大多数含镍元素。,2018/9/18,38,非晶态材料的应用,形状记忆合金一面世，就为航空工业立了一功。美 国F14型飞机的液压系统中，平均每架要用800 个形状记忆合金接头。自1970年以来，美国海军飞 机上使用了几十万个这样的管接头，没出现过一次 失效的记录。用形状记忆合金做管接头的办法是： 先在转变温度以上，把镍钛合金管接头按密封要求 尺寸进行加工，使它的内径比所要连接管子的外径 小4；然后，在液氮低温下将管接头直径扩大，使 它的内径比所要连接管子的外径稍大点（大4）， 并把两根要连接的管子从两端对准插入接头；,2018/9/18,39,非晶态材料的应用,最后，当管子处于工作状态，温度回升 到转变温度以上，镍钛合金发挥形状记 忆效应，管接头自动收缩，管径变细， 恢复到第一次加工的尺寸，它就把两根 管子紧紧地连到一起。,
