非晶态合金综述课件.ppt

第二章 非晶态合金第一节 非晶态合金及其主要性能第二节 非晶态合金的制备第三节 非晶态合金的应用第一节 非晶态合金及其主要性能非晶合金：非晶合金：由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列由于超急冷凝固，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，称之为非晶合金的晶粒、晶界存在，称之为非晶合金非晶合金被称为是冶金材料学的一项革命这种非非晶合金被称为是冶金材料学的一项革命这种非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐蚀性、晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能以及储氢性能等由于它的性能优异、工艺简单，合性能以及储氢性能等由于它的性能优异、工艺简单，从从8080年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点第二节 非晶态合金的制备 我们先从非晶材料说起，在日常生活中人们接触的材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。

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，则为非晶态律反之，内部原子排列处于无规则状态，则为非晶态材料材料,一般的金属，其内部原子排列有序，都属于晶态一般的金属，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，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固住了，由此就产生了非晶态合金,制备非晶态合金采用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度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将13001300的钢水的钢水降到降到200200以下，形成非晶带材。

以下，形成非晶带材大块非晶合金的制备，通常采用以下几种制备方法：大块非晶合金的制备，通常采用以下几种制备方法：1 1、快速凝固快速凝固 快速凝固是当前材料科学与工程中研究最快速凝固是当前材料科学与工程中研究最活跃的领域之一，熔体急冷和深过冷是实现快活跃的领域之一，熔体急冷和深过冷是实现快速凝固的两条途径，前者以快速冷却为特征，速凝固的两条途径，前者以快速冷却为特征，而后者可以是慢速冷却过程，深过冷液态金属而后者可以是慢速冷却过程，深过冷液态金属与急冷快速凝固过程相似，也存在两种不同的与急冷快速凝固过程相似，也存在两种不同的凝固机制：一是晶体在过冷熔体中大量形核并凝固机制：一是晶体在过冷熔体中大量形核并快速长大；二是在足够大的过冷下常规晶体形快速长大；二是在足够大的过冷下常规晶体形核与长大被抑制，核与长大被抑制，液态金属凝固为准晶或非晶液态金属凝固为准晶或非晶态合金与急冷快速凝固不同的是，深过冷熔态合金与急冷快速凝固不同的是，深过冷熔体的结晶过程一般包括快速凝固和慢速凝固两体的结晶过程一般包括快速凝固和慢速凝固两个阶段2.2.铜模铸造法铜模铸造法 该法是目前制备大块非晶合金最常用的方该法是目前制备大块非晶合金最常用的方法。

由于铜的导热性好法由于铜的导热性好,故很早就用铜模来制备故很早就用铜模来制备大块非晶了传统的铜模铸造是将金属液直接大块非晶了传统的铜模铸造是将金属液直接浇注到金属型浇注到金属型(铜模铜模)中使其快速冷却获得中使其快速冷却获得BMGBMG，金属型冷却方式分为水冷和无水冷两种浇注金属型冷却方式分为水冷和无水冷两种浇注方式有压差铸造、真空吸铸和挤压铸造等试方式有压差铸造、真空吸铸和挤压铸造等试块的形状则可以是楔形、阶梯形、圆柱形或片块的形状则可以是楔形、阶梯形、圆柱形或片状等楔形铜模具有在单个铸锭中得到不同的状等楔形铜模具有在单个铸锭中得到不同的冷速冷速,组织分析对比性强，通过非晶合金的临界组织分析对比性强，通过非晶合金的临界厚度可以度量合金的玻璃形成能力厚度可以度量合金的玻璃形成能力3 3.熔体水淬法熔体水淬法 熔体水淬法和铜模铸造一样，属于直接凝熔体水淬法和铜模铸造一样，属于直接凝固的一种水淬法通常与熔融玻璃包覆合金法固的一种水淬法通常与熔融玻璃包覆合金法结合使用常用包覆剂，它既是吸附剂，吸附结合使用常用包覆剂，它既是吸附剂，吸附熔体内的杂质颗粒，又是包覆剂，隔离合金熔熔体内的杂质颗粒，又是包覆剂，隔离合金熔体，避免其与冷却器壁直接接触而诱发非均匀体，避免其与冷却器壁直接接触而诱发非均匀形核。

通过对金属熔体进行水淬就可以得到非形核通过对金属熔体进行水淬就可以得到非晶态合金棒材或丝材晶态合金棒材或丝材4.4.抑制形核法抑制形核法避免非均质形核的措施有以下几种避免非均质形核的措施有以下几种:(1)(1)减少污染减少污染,提高合金元素纯度提高合金元素纯度2)(2)选用与晶核的晶体结构和点阵常数差别大的选用与晶核的晶体结构和点阵常数差别大的冷却模材料冷却模材料3)(3)为获得尽可能快的冷却速率为获得尽可能快的冷却速率,优先选择高热优先选择高热导率的冷却模导率的冷却模4)(4)在惰性气体中熔炼和冷却在惰性气体中熔炼和冷却常用的抑制形核技术有落管技术、熔融玻璃常用的抑制形核技术有落管技术、熔融玻璃净化技术、磁悬浮和静电悬浮及超声悬浮技术等净化技术、磁悬浮和静电悬浮及超声悬浮技术等这种方法由于熔体在凝固过程中不与容器接触这种方法由于熔体在凝固过程中不与容器接触或软接触，从而消除了异质形核，有利于玻璃态或软接触，从而消除了异质形核，有利于玻璃态结构的形成结构的形成5.5.粉末冶金技术粉末冶金技术 粉末冶金技术就是把非晶态粉末装入模具粉末冶金技术就是把非晶态粉末装入模具进行一定的工艺成型，如温挤压、进行一定的工艺成型，如温挤压、动力压实、动力压实、粉末轧制、压制烧结等技术。

用粉末冶金制备粉末轧制、压制烧结等技术用粉末冶金制备出的大块非晶合金，不仅要满足密实，而且要出的大块非晶合金，不仅要满足密实，而且要避免晶化其基本原理是利用非晶态固体在过避免晶化其基本原理是利用非晶态固体在过冷液相区内有效粘度大幅度下降的特性冷液相区内有效粘度大幅度下降的特性,施加施加一定的压力使材料发生均匀流变从而复合为块一定的压力使材料发生均匀流变从而复合为块体但所制设备的块体材料在纯度、致密度、体但所制设备的块体材料在纯度、致密度、尺寸和成形等方面受到很大限制尺寸和成形等方面受到很大限制6.6.自蔓延反应合成法自蔓延反应合成法 有人选取锆、铝、镍、铜元素粉末作为合有人选取锆、铝、镍、铜元素粉末作为合成材料，按一定的配比混制成粉末混合体将成材料，按一定的配比混制成粉末混合体将混合粉末压制成规格为混合粉末压制成规格为80mm7mm80mm7mm，相对密度，相对密度为为5555的粉末压坯将压坯置于充氩气的反应的粉末压坯将压坯置于充氩气的反应容器内，采用连续容器内，采用连续C02C02激光器在压坯一端点火，激光器在压坯一端点火，引发自蔓延反应该合成产物主要由非晶引发自蔓延反应该合成产物主要由非晶Zr3Al2Zr3Al2及及Zr2CuZr2Cu两种类型的金属间化合物所组成，两种类型的金属间化合物所组成，该法是制备非晶态复合材料的可行的方法，该该法是制备非晶态复合材料的可行的方法，该法的另一优点是产品近净成型，容易进入实用法的另一优点是产品近净成型，容易进入实用化和工业化生产。

化和工业化生产7.7.固态反应固态反应 固态反应制备大块非晶的方法是利用扩散反固态反应制备大块非晶的方法是利用扩散反应动力学对固态晶体进行各种无序化操作，使之应动力学对固态晶体进行各种无序化操作，使之演变为非晶相演变为非晶相,从而实现由固态晶体直接转化为从而实现由固态晶体直接转化为固态非晶体固态非晶体8.8.定向凝固铸造法定向凝固铸造法 采用这种方法要控制定向凝固速率和固液采用这种方法要控制定向凝固速率和固液界面前沿液相温度梯度，而定向凝固所能达到的界面前沿液相温度梯度，而定向凝固所能达到的理论冷却速度可通过这两个参数乘积估算，这种理论冷却速度可通过这两个参数乘积估算，这种方法适于制作截面积不大但比较长的样品方法适于制作截面积不大但比较长的样品第三节第三节 非晶态合金的应用非晶态合金的应用 非晶态合金与晶态合金相比，在物理性能、化学性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的特点。

由于这样的特性,非晶态合金材料在电子、航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空、航天、机械、微电子等众多领域中具备了广阔的应用空间非晶合金可以用来制作结构材料、精密光学材用空间非晶合金可以用来制作结构材料、精密光学材料、工具材料及磁性材料等料、工具材料及磁性材料等例如，用于航空航天领域，可以减轻电源、设备重量，增加例如，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网ISDNISDN中的中的变压器变压器非晶条带用来制造超级市场和图书馆防盗系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非晶变压器：非晶合金铁芯变压器是用新非晶变压器：非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料型导磁材料非晶合金制作铁芯而成的变压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器，它比硅钢片作铁芯变压器的空载损耗(指指变压器次级开路时，在初级测得的功率损耗变压器次级开路时，在初级测得的功率损耗)下降下降80%80%左右，空载电流左右，空载电流(变压器次级开路时，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初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流流)下降约下降约85%85%，是目前节能效果较理想的配电，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变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方。

负载率较低的地方非晶硅薄膜太阳能电池是一种以非晶硅化合非晶硅薄膜太阳能电池是一种以非晶硅化合物为基本组成的薄膜太阳能电池物为基本组成的薄膜太阳能电池由于其反应温度低，可在由于其反应温度低，可在200200左右的温度左右的温度下制造，因此可以在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、下制造，因此可以在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上淀积薄膜，易于大面积化生产，成柔性塑料片上淀积薄膜，易于大面积化生产，成本较低；能量返回期短；适于大批量生产；高温本较低；能量返回期短；适于大批量生产；高温性能好；弱光响应好，充电效率高上述独特的性能好；弱光响应好，充电效率高上述独特的技术优势，令薄膜硅电池在民用领域具有广阔的技术优势，令薄膜硅电池在民用领。