非晶態(tài)金屬材料產生、研究現(xiàn)狀與前景

摘 要：非晶態(tài)金屬是新型的金屬材料，它已成為金屬材料領域的研究熱點， 并在有些領域已得到廣泛的應用。文章主要介紹了它的產生與發(fā)展、制備方法、應用及其前景。

關鍵詞：非晶態(tài)金屬；制備工藝；前景

1 非晶的產生與發(fā)展

縱覽非晶合金的發(fā)展歷程，可以說非晶的產生是必然的，人們在認識并使用金屬材料的過程中，漸漸地認識到如果金屬材料的晶粒度越細，材料的強度和韌性就越好。在剛剛過去的20世紀初的幾十年中，科學家和金屬學家們經過長期的探索和實踐，通過理論和實踐證明了在鋼水里摻雜某些其他物質（如稀有金屬），以及快速冷凝鋼水等多種有效的方法是可以得到晶粒更細的優(yōu)質金屬和合金材料的。而從當今對于非晶金屬的研究成果來看，非晶態(tài)金屬和合金的原子呈無序排列，因而不存在晶態(tài)合金中的空位、位錯、晶界及層錯等缺陷，這一特性使其不僅具有優(yōu)異的耐腐蝕性、高硬度、高強度、高疲勞抗力、高耐磨性、屈服時完全塑性、無加工硬化現(xiàn)象，而還表現(xiàn)出優(yōu)良的軟磁和硬磁性能以及超導特性等。非晶的這些異于人類幾千年來所認識和使用的金屬和合金的性能特性正是人們研究與合成性能更佳的材料的主要方向和目標。

當然，這么優(yōu)良的材料的發(fā)展歷程并不是一帆風順的，但每一次研究的深入都給人們帶來了足夠的驚喜。在1934年，德國物理學家Kramer 首次利用熱蒸發(fā)法發(fā)現(xiàn)了附著在玻璃冷基底上的非晶態(tài)合金膜，由于這些非晶態(tài)合金膜是附著在玻璃基體上的，很難單獨研究這些附其特性，加之其它一些因素，導致了這些發(fā)現(xiàn)并沒有引起人們太大的重視。

之后二十幾年間，人們并沒有停止對非晶的研究。如1947年，Brenner 等用電解和化學沉積的方法獲得了Ni-P和Co-P的非晶薄膜，并將之用作金屬表面的防護涂層，這是非晶材料最早被運用到工業(yè)上的實例。1959年，Cohen和Turnbu根據(jù)自由體積模型作出預言，假如冷到足夠程度，即使最簡單結構的液體也可以通過玻璃化轉變。

1959-1960年間，美國人杜維茲（Duwez）等采用熔融金屬急冷的方法制備細晶粒合金時偶然得到了一種奇異的合金（非晶態(tài)合金），該合金的X射線衍射圖譜中反映其晶體周期性的衍射峰不見了，當時這種被人們嘲笑為愚蠢的Duwez合金就是現(xiàn)在我們所謂的非晶合金。從此，非晶態(tài)金屬誕生了。接下來，非晶材料的發(fā)展可謂是越來越快。1971-1973H.S.Chen和古Gi l man等采用快冷連鑄軋輥法，以1830m/min的高速制成多種非晶合金薄帶和細絲，并正式命名為“金屬玻璃”以商品出售，在世界上引起很大的反響。1984年Kui.H.W和D.Turnbul l等人通過B2O3溶劑包裹的方法獲得尺寸接近10mm的大塊Pd-Ni-P非晶合金。在90年代初，日本東北大學的T.Masumot o 和A.Inoue等人發(fā)現(xiàn)了具有極低臨界冷卻速率的多元合金體系，這些合金包括Ln-TM-Ln，Ln-Al-TM，Zr-Al-TM，Hf-Al-TM，Ti-Zr-TM等系列。1993年W.L.Johnson等人發(fā)現(xiàn)了具有臨界冷卻速率低達1K/s的Zr基大塊非晶合金。

2 非晶的制備方法

2.1 液相急冷法

此方法是基于非晶形成的理論，即：任何物質只要它的液體冷卻速率足夠快， 原子來不及整齊排列就凝固， 那么原子在液態(tài)時混亂排列并迅速凍結， 就可以形成非晶。首先將金屬加熱熔化， 然后采取各種方法讓液態(tài)金屬快速冷卻凝固， 形成非晶態(tài)金屬。該方法在非晶態(tài)金屬制作中用得最廣泛、最頻繁， 目前得到應用的非晶態(tài)金屬幾乎都是由此法制成的。此方法的種類很多， 用不同的急冷法得到的非晶態(tài)金屬的形態(tài)、性質有很大的不同。

2.2 氣相沉積法

氣相沉積法是從制作非晶態(tài)金屬磁性薄膜而發(fā)展起來的。它通過加熱、濺射等各種手段使金屬先變成原子、分子、離子或原子團狀態(tài)， 然后沉積到基板上， 形成非晶態(tài)金屬。目前， 氣相沉積法經常被運用制造超微粉、薄膜、人造晶格膜以及多層膜。此法大體上可以分為兩大類： 一類是化學氣相沉積法， 包括熱CVD法、光CVD法和等離子體CVD法； 另一類是物理氣相沉積法， 包括真空蒸鍍法、濺射法、離子束法、ICB（ Iioncluster beam） 法等。

2.3 固相反應法

此法是目前非晶領域受到較大關注的新法。大體上可以分為三大類，第一類將兩種金屬作成間隔為幾毫米的多層膜， 然后在高真空中加熱到幾百度， 靠加熱反應形成非晶態(tài)金屬；第二類是是利用電子線、放射線等的照射使金屬非晶化；第三類是機械合金化法（ mechanical allo-ying， 簡稱MA法），此法是將數(shù)種金屬粉末混在一起， 靠球磨碰撞等機械能量使金屬粉末受到壓擠、局部破壞， 在微觀上混合化、微粒化和合金化， 最后通過局部加熱和擴散反應， 獲得非晶態(tài)金屬粉末。

2.4 銅模吸鑄法

該方法是制備非晶合金塊材料通常采用的方法。先采用電弧熔煉法或感應加熱法使母合金熔化。將熔化后的母合金從坩堝中吸鑄到水冷銅模中， 形成具有一定形狀和尺寸的大塊材料。此外通過對模具內腔表面做特殊處理來減少銅模內空腔異質形核。

2.5 粉末冶金技術

粉末冶金技術就是把非晶態(tài)粉末裝入模具進行一定的工藝成型。其基本原理是利用非晶態(tài)固體在過冷液相區(qū)△Tx 內有效粘度大幅度下降的特性，施加一定的壓力使材料發(fā)生均勻流變從而復合為塊體。但所制設備的塊體材料在純度、致密度、尺寸和成形等方面受到很大限制。

3 非晶的應用前景

3.1 特殊結構材料

由于大塊非晶態(tài)金屬在力學性能、抗腐蝕性能、以及耐磨性能等方面具有很強的優(yōu)勢，因此大塊非晶態(tài)金屬是一種非常理想的的、在特殊環(huán)境下應用的工程材料。但是昂貴的制造成本成為了其在工程領域大規(guī)模應用的瓶頸，因此尋求一種廉價的大塊非晶態(tài)金屬的制造方法，是其大規(guī)模應用的前提。

3.2 鐵磁性材料

目前，大部分應急投入使用的變壓器的鐵芯材料都是硅鋼片，硅鋼片具有一定的優(yōu)勢，但是硅鋼片較高的空載損耗成為了其致命的弱點。然而某些合金的非晶態(tài)金屬不僅具有高飽和磁感應強度和較低的矯頑磁力，而且具有很低的空載損耗，使其成為了變壓器鐵芯材料的理想選擇。目前，非晶態(tài)鐵芯已經形成了一定的生產規(guī)模，但是，其成品率較低，仍是制約其發(fā)展的瓶頸。

3.3 儲氫材料

隨著傳統(tǒng)能源材料的不斷告急，能源儼然已成為社會發(fā)展的一個壁壘。目前國際上比較看好的新能源主要有核電、太陽能、生物質能與氫能。其中氫能在新能源的地位舉足輕重，但是氫能利用的一個技術壁壘就是其儲存技術。目前研究表明，大塊非晶具有很高的儲氫比，是儲氫理想的材料之一，將來如果在大塊非晶的生產上實現(xiàn)突破，將會推進氫能源的飛速發(fā)展。

3.4 傳感器材料

由于非晶材料無各向異性，導磁率高，磁損耗小，因而旋轉磁化更容易，各向磁場靈敏度高，可以用來制作高靈敏度的磁場計或者磁通量傳感器。此外，非靜態(tài)合金還具有搞的電阻率，即使在高頻范圍內也具有很小的渦流損耗和幾號的磁特性，因此可以用來制造快速響應傳感器。此外，非晶態(tài)材料知道居里溫度其組成還可以任意的確定，因此還可以用其來開發(fā)快速響應溫度傳感器。

參考文獻

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