非晶合金的離子輻照效應

陳崢

（江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212100）

由于核反應堆的結構材料長期處于高溫、高壓、強中子輻射的環境中，會對其結構和性能產生一定的影響。強輻射還可以溶解腐蝕介質，創造包含各種自由基的腐蝕環境，增加應力腐蝕靈敏度，加速腐蝕。因此，材料的抗輻射能力將直接影響到反應堆的安全工作和使用壽命。另外，由于航天器在長時間的太空環境下，電子、離子、γ 射線等都會對飛行器的材料和電子產品造成重大影響，從而造成嚴重的故障。所以，如何找到一種可以長期在核反應堆、太空等惡劣環境下使用的高性能金屬材料，是目前結構材料研究的一個重要課題。

非晶合金是一種新的合金材料，它具有與玻璃相似的形狀。由于金屬熔體沒有時間進行晶化，所以固體合金在熔化過程中仍然存在著混亂的原子，因此，非晶合金被稱作“凝固的液態”。與常規的金屬相比，非晶合金的硬度、斷裂韌性、屈服強度均有所提高。因此，在強輻射條件下，非晶態合金可能是替代材料。

1 非晶合金及其發展史

非晶合金是一種特殊的長程、短程有序的結構，屬于熱力學的亞穩態。該材料是用各種成分比例不同的金屬原料進行均勻的冶煉，其結構呈玻璃狀，又稱金屬玻璃或玻璃金屬。在相同的冷卻速度下，熔化的金屬合金會在冷卻時形成結晶狀，而物質內部的原子也會被按一定的規律排列。在此基礎上，我們可以看到一些常見的晶體材料，比如：鎂鋁合金、航空鈦合金、鋼鐵廠生產的鋼材。但是，在快速固化的情況下，由于金屬熔體的固化，原子沒有足夠的時間來完成特殊的有序的結晶結構。也就是說，抑制了晶相的形成，一般在迅速冷卻時（達到106 千克/秒或更高的冷卻速度）下形成無定形合金。熔融的金屬原子被凝固，并且仍然是無序的。非晶合金在微觀結構上也被稱為“冷凍熔體”，近年來，人們對其進行了大量的研究，結果表明：非晶態合金沒有晶界、位錯、層錯等晶界缺陷。非晶合金因其特殊的結構，在力學、物理、化學、磁能等方面表現出了許多優異的性能。因此，非晶合金在電子、機械、化學、防護等領域的發展和應用，以及在軍用和民用領域的發展和應用，都需要進一步的研究和發展。非晶合金的晶體結構不含位錯、晶界等高能，其組織和組成都是統一的，所以不會產生組分的偏析。在氧化條件下，非晶合金表面能形成一層均勻的鈍化薄膜，而損傷后新暴露的金屬表面則能快速地生成一層鈍化膜。所以，這種非晶態合金的抗腐蝕性能非常好。結果表明：Zr 基非晶合金在中性和酸性介質中具有較好的抗腐蝕性能。美國的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室利用熱噴涂技術對鐵基非晶態合金進行處理，制成了一個完整的核廢料處理機。與普通輻照、熱酸環境下服役的普通材料相比，Fe 非晶態合金的B含量比普通高硼鋼高出數十、數百倍，中子吸收截面也大大增加，安全使用壽命大大延長，為核材料的應用奠定了基礎[1]。

在核反應堆中，一層材料的開發是一個不斷發展的過程，而非晶材料在輻射環境下的結構與損傷方面的研究尚不夠深入，因此，要深入探討其結構與功能材料的潛力。結果表明，與常規抗輻射性相比，大塊狀非晶態合金對離子束的抵抗能力更強，熱穩定性更好，力學、物理化學性能優良，抗輻照能力也更強。目前，大塊狀非晶態合金是一種極具發展前景的新型應用材料。它在航空、航天、精密機械、通訊等方面得到了廣泛的應用。

2 非晶合金的性能特點

2.1 軟磁性能

軟磁性能的研究是指非晶態合金對磁場分布和磁通量密度效應等物理化學過程所表現出的敏感程度，一般用它來表示。軟磁性材料中，在鐵素體、鎳基或稀土含量較高時應考慮其退火后產生了大量熱及應力集中現象；當溫度變化較大時則可采用軟磁鐵氧化物硬化處理或者冷固化工藝。非晶合金由于具有良好的磁通性和力學性能而被廣泛用于各種工業領域，如電子工業、生物醫學以及航空航天等。軟磁合金的應用范圍十分廣泛，包括電鍍和電熱加工。

2.2 力學性能

通過對復合材料進行的研究，發現其在不同工況下，力學性能均有一定程度上的提高。當非晶合金中加入了非晶合金時使得基體金屬間產生結合力而增強強度；同時也會使基體內部奧氏體質之間相互影響。固溶強化機理：由于離子注入引起了界面處位和體積密度效應等現象從而導致材料內部組織發生變化，進而改變其力學性能，在一定程度上可以說是一種固溶硬化的過程[2]。

2.3 化學性能

2.3.1 耐蝕性

非晶態合金因無晶界、沉淀相相界、位錯等易發生局部腐蝕，且無晶態合金易產生的組分偏析現象，故其結構與組成均優于晶態合金，且抗腐蝕性較強。非晶態合金不但在正常條件下不會發生腐蝕，還可以抑制某些特定條件下產生的裂縫和點蝕。非晶合金因其優良的耐腐蝕性能而被廣泛應用于電池電極、海底電纜屏蔽、防腐管道和磁性分離介質等。

2.3.2 催化性能

非晶合金具有較高的表面能量，能夠不斷變化組分，催化活性顯著。該產品廣泛用于催化劑的加氫、催化脫氫、催化氧化和電催化等領域。

2.3.3 儲氫性能

一些非晶態的合金能通過化學反應來吸附并放出氫氣，因此可以作為一種儲存氫氣的物質。隨著氫原子占據的位置和容易生成氫化物的元素的數量，非晶合金的氫氣吸收能力增大。所以，如果將金屬原子填充到氫氣原子中，就無法儲存氫氣。加入硼和硅可以降低TiNi 形狀記憶合金的吸氫能力。

2.4 光學性能

金屬材料的光學性能取決于它的電子結構。因此，可以使用一些非結晶物質來制作高效的太陽能吸收裝置。非晶合金具有良好的中子和Y 射線的抗輻照能力，在火箭、航天、核反應堆和受控熱核反應等領域得到了廣泛的應用[3]。

3 非晶合金的應用

3.1 磁性領域

Fe、Ni、Co 基非晶合金因其高磁性飽和、高磁導、低矯頑力、低飽和磁致伸縮性，可加工成各種形狀復雜的微鐵心，并可用于計算機、網絡、通訊、工業自動化等領域。溫區較寬、溫度較低、使用壽命較長的非晶態合金是一種新型的蓄冷材料。非晶電動機在無人機、機器人等行業中也有應用。

3.2 生物醫用領域

Ca 基、Mg 基的非晶態合金由于其生物相容性、可降解性、無致敏性，因此可應用于醫療器械的移植及生產，例如外科手術刀、人工骨骼、人體電磁感應材料、人工牙齒等。鎂基非晶合金因其可降解性、強度高、彈性模量與骨相似，有可能作為新型的人體支架材料。金屬玻璃具有良好的耐腐蝕性能，可用于骨折的夾板和螺釘。非晶合金的導電性能優良，耐熱性好，抗菌性能好，彈性好，是一種極具發展前景的仿生材料[4]。

3.3 3C 行業

非晶合金的最大優點是強度高、硬度高、耐磨性高、重量輕、厚度適中，正好符合3C 的核心特性。非晶合金注塑成型，壓鑄成型，能滿足外形追求時尚美觀的外形要求。液體金屬在工藝上與“凈成形”相近，且不需進行后期處理，能有效地減少后處理費用。還可以通過改變表面的組織而改變色彩，使后期的裝飾工藝更加豐富，色彩更加天然，而且耐磨、不易劃傷、褪色。

3.4 汽車行業

非晶態合金具有高硬度和高耐磨性能，可用于汽車引擎的液壓缸、活塞等耐磨零件，大大延長其使用壽命；在車輛使用中，主要的性能包括：精度、抗腐蝕、表面處理和彈性。非晶合金的收縮率幾乎為零，通過模具注塑的零件往往能達到最精確的CNC 加工工藝，不需要打磨，也不需要打磨，就能達到近乎光學的光潔度。鐵基非晶合金作為電子變壓器、電感器、電抗器的核心，其能量轉換效率高，在新能源汽車充電領域有著很好的應用前景。

3.5 其他技術領域

由于非晶合金具有較高的強度、較高的剛度和較好的抗磨損性能，因此可以用于航天飛機的主要結構材料，如主框架、軸承等，從而大大減輕了它們的重量，相當于增加了引擎的推進比；由于非晶合金中的原子不存在通道效應，因此可以很好地捕獲太陽風中的高能粒子。

鈷基非晶是一種新型的軍用穿甲彈的原材料。Fe基非晶合金具有高硬度、高耐磨、無磁性、無腐蝕等優良特性，可用于航空母艦等艦艇的防腐、隱身、耐磨、輕量化、抗腐蝕、電子設備等領域[5]。

4 非晶合金的離子輻照效應

非晶態合金的離子輻照效應是由離子體與非晶態合金的交互作用引起的微觀結構、物理化學及機械性能的改變。從熱力學的觀點來看，單一的離子只包含了幾個電子伏特，而高能離子的能量可以達到千伏特，甚至可以達到GeV。在高能離子與固態物質的相互作用中，會產生與原子的碰撞，從而導致能量的損耗。電子能損耗是指進入的離子與原子的不彈性撞擊，激發了原子并使其電離，使其進入的離子的一部分能轉化成原子的內部能。由于電子能量的損耗，會導致絕緣體、半導體內部的空位和電子密度發生變化，進而對材料的性質產生一定的影響。由于進入的離子和原子核的彈性撞擊，會將一部分的能量轉移到原子核上，由此產生的能量損耗叫做核能損耗。在非晶態合金中，以核能損耗引起的結構缺陷和輻射損害為主要特征。在非晶合金中，由于進入的離子與靶原子的碰撞，引起了靶體的離位，產生了大量的空位和空位，并將空位和間隙的原子分開，形成了離位峰，而離位峰附近的空間原子動能很低，會將自己的能量轉化為熱能，大量的間隙原子的熱能會形成一個熱峰，引起材料的局部融化，使非晶合金的結晶和結晶的結晶相組織發生變化，從而影響到非晶合金的物理、化學和機械性能。

5 離子輻照對非晶合金微觀結構的影響

非晶合金在高溫下會產生較大的變形，而且由于其本身的特性，其結構也會隨之改變。一般認為，當離子被注入基質時，固溶體的結構會發生變化。但實踐證明，與傳統方法相比，由于離子的表面功能基團更強，界面能（例如非晶）更大，形成了高熔點的合金層，并且在某種程度上提高了材料的導熱系數，這都會引起其顯著的變形；同時，在離子注入基質中，由于其表面官能團的存在，可以使非晶合金中的原子排列更加緊湊，結構更加致密。在負壓作用下，非結晶粒子和基質中的固體溶液發生了交互作用。而這股力量，也可以通過改變其外形來達到。一般在溫度超過零度或低于臨界點時，反應就會發生；然而此時，由于離子被注入物質，其內部的原子會緊密地排列在一起，而外界的離子則不能滲透到基底，從而導致了非晶合金材料的固溶。而在負壓作用下，非晶合金中的原子會被壓縮，并產生形變。這個現象也可以通過在物質中注入離子的時間來進行[6]。

此外，在離子照射下，非晶態合金的表面形貌也會發生變化。當離子束增大時，粘滯的流動會導致Zr65A l7.5Cu27.5 膜的表面粗糙程度逐漸降低，而Fe40Ni38 Mo8B14 非晶膜的粗糙程度隨離子束的增加而增加。結果表明：非晶合金的表面粗糙程度不僅取決于入射光的能量，而且還取決于入射光和非晶態合金的角度。離子輻照在非晶鍺上形成了大量的空穴，這些空穴是由離子體中心迅速加熱、膨脹所引起的外向振蕩波所致，而空穴的大小與Ge 固液相間的密度差異有關。離子輻照確實可以使非晶合金的非晶態結構發生改變，使其結構從無序向有序轉變，即晶化，也有可能使無序結構變得更加無序，從而增加結構缺陷，如自由體積。可見，非晶態的形態改變與輻照離子能量、輻照劑量和化學成分有關。但是，對于無序-有序轉換的成因，至今尚無統一的認識[7]。

6 結語

在非晶態合金中，放射性損傷是由于核能損失導致的結構和輻射破壞；由于離子輻射會產生大量的自由體積等結構缺陷，從而使原子的運動特性發生變化，進而使非晶態結構發生無序和結晶。非晶態材料的自由體積增大，使其塑性變形模式由不均勻向均勻方向發展，從而使其塑性變形性能得到改善。與晶態合金比較，無位錯環和層錯等結構缺陷，具有很好的抗輻射能力。雖然從理論和實驗兩方面都有了一些新的突破，但由于非晶合金的微觀結構、力學性能以及其他物理、化學性能等方面的變化，目前尚無統一的理論來解釋。非晶合金在核反應堆、航天等強輻射環境中的實際應用還需要進一步的研究。