非晶態(tài)合金綜述課件

1、第二章 非晶態(tài)合金第一節(jié) 非晶態(tài)合金及其主要性能第二節(jié) 非晶態(tài)合金的制備第三節(jié) 非晶態(tài)合金的應(yīng)用第一節(jié) 非晶態(tài)合金及其主要性能非晶合金： 由于超急冷凝固，合金凝固時(shí)原子來不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在，稱之為非晶合金。 非晶合金被稱為是冶金材料學(xué)的一項(xiàng)革命。這種非晶合金具有許多獨(dú)特的性能，如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強(qiáng)度、硬度和韌性，高的電阻率和機(jī)電耦合性能以及儲(chǔ)氫性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡單，從80年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點(diǎn)。第二節(jié) 非晶態(tài)合金的制備 我們先從非晶材料說起，在日常生活中人們接觸的材料一般有兩種：一種是晶

2、態(tài)材料，另一種是非晶態(tài)材料。所謂晶態(tài)材料，是指材料內(nèi)部的原子排列遵循一定的規(guī)律。反之，內(nèi)部原子排列處于無規(guī)則狀態(tài)，則為非晶態(tài)材料, 一般的金屬，其內(nèi)部原子排列有序，都屬于晶態(tài)材料?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，金屬在熔化后，內(nèi)部原子處于活躍狀態(tài)。一但金屬開始冷卻，原子就會(huì)隨著溫度的下降，而慢慢地按照一定的晶態(tài)規(guī)律有序地排列起來，形成晶體。如果冷卻過程很快，原子還來不及重新排列就被凝固住了，由此就產(chǎn)生了非晶態(tài)合金,制備非晶態(tài)合金采用的正是一種快速凝固的工藝。將處于熔融狀態(tài)的高溫鋼水噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥上。鋼水以每秒百萬度的速度迅速冷卻，僅用千分之一秒的時(shí)間就將1300的鋼水降到200以下，形成非晶帶材。大塊非晶

3、合金的制備，通常采用以下幾種制備方法：1、 快速凝固 快速凝固是當(dāng)前材料科學(xué)與工程中研究最活躍的領(lǐng)域之一，熔體急冷和深過冷是實(shí)現(xiàn)快速凝固的兩條途徑，前者以快速冷卻為特征，而后者可以是慢速冷卻過程，深過冷液態(tài)金屬與急冷快速凝固過程相似，也存在兩種不同的凝固機(jī)制：一是晶體在過冷熔體中大量形核并快速長大；二是在足夠大的過冷下常規(guī)晶體形核與長大被抑制， 液態(tài)金屬凝固為準(zhǔn)晶或非晶態(tài)合金。與急冷快速凝固不同的是，深過冷熔體的結(jié)晶過程一般包括快速凝固和慢速凝固兩個(gè)階段。2 .銅模鑄造法 該法是目前制備大塊非晶合金最常用的方法。由于銅的導(dǎo)熱性好,故很早就用銅模來制備大塊非晶了。傳統(tǒng)的銅模鑄造是將金屬液直接澆注

4、到金屬型(銅模)中使其快速冷卻獲得BMG，金屬型冷卻方式分為水冷和無水冷兩種。澆注方式有壓差鑄造、真空吸鑄和擠壓鑄造等。試塊的形狀則可以是楔形、階梯形、圓柱形或片狀等。楔形銅模具有在單個(gè)鑄錠中得到不同的冷速,組織分析對(duì)比性強(qiáng)，通過非晶合金的臨界厚度可以度量合金的玻璃形成能力。3 .熔體水淬法 熔體水淬法和銅模鑄造一樣，屬于直接凝固的一種。水淬法通常與熔融玻璃包覆合金法結(jié)合使用。常用包覆劑，它既是吸附劑，吸附熔體內(nèi)的雜質(zhì)顆粒，又是包覆劑，隔離合金熔體，避免其與冷卻器壁直接接觸而誘發(fā)非均勻形核。通過對(duì)金屬熔體進(jìn)行水淬就可以得到非晶態(tài)合金棒材或絲材。 4 .抑制形核法避免非均質(zhì)形核的措施有以下幾種:

5、(1) 減少污染,提高合金元素純度。(2) 選用與晶核的晶體結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣常數(shù)差別大的冷卻模材料。(3) 為獲得盡可能快的冷卻速率,優(yōu)先選擇高熱導(dǎo)率的冷卻模。(4) 在惰性氣體中熔煉和冷卻。 常用的抑制形核技術(shù)有落管技術(shù)、熔融玻璃凈化技術(shù)、磁懸浮和靜電懸浮及超聲懸浮技術(shù)等。這種方法由于熔體在凝固過程中不與容器接觸或軟接觸，從而消除了異質(zhì)形核，有利于玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)的形成。5 .粉末冶金技術(shù) 粉末冶金技術(shù)就是把非晶態(tài)粉末裝入模具進(jìn)行一定的工藝成型，如溫?cái)D壓、 動(dòng)力壓實(shí)、粉末軋制、壓制燒結(jié)等技術(shù)。用粉末冶金制備出的大塊非晶合金，不僅要滿足密實(shí)，而且要避免晶化。其基本原理是利用非晶態(tài)固體在過冷液相區(qū)內(nèi)有效粘度

6、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(fù)合為塊體。但所制設(shè)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。6 .自蔓延反應(yīng)合成法 有人選取鋯、鋁、鎳、銅元素粉末作為合成材料，按一定的配比混制成粉末混合體。將混合粉末壓制成規(guī)格為80mm7mm，相對(duì)密度為55的粉末壓坯。將壓坯置于充氬氣的反應(yīng)容器內(nèi)，采用連續(xù)C02激光器在壓坯一端點(diǎn)火，引發(fā)自蔓延反應(yīng)。該合成產(chǎn)物主要由非晶Zr3Al2及Zr2Cu兩種類型的金屬間化合物所組成，該法是制備非晶態(tài)復(fù)合材料的可行的方法，該法的另一優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品近凈成型，容易進(jìn)入實(shí)用化和工業(yè)化生產(chǎn)。7 .固態(tài)反應(yīng) 固態(tài)反應(yīng)制備大塊非晶的方法是利用擴(kuò)散

7、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)固態(tài)晶體進(jìn)行各種無序化操作，使之演變?yōu)榉蔷? 從而實(shí)現(xiàn)由固態(tài)晶體直接轉(zhuǎn)化為固態(tài)非晶體。8 .定向凝固鑄造法 采用這種方法要控制定向凝固速率和固液界面前沿液相溫度梯度，而定向凝固所能達(dá)到的理論冷卻速度可通過這兩個(gè)參數(shù)乘積估算，這種方法適于制作截面積不大但比較長的樣品。 第三節(jié) 非晶態(tài)合金的應(yīng)用 非晶態(tài)合金與晶態(tài)合金相比，在物理性能、化學(xué)性能和機(jī)械性能方面都發(fā)生了顯著的變化。以鐵元素為主的非晶態(tài)合金為例，它具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和低損耗的特點(diǎn)。由于這樣的特性,非晶態(tài)合金材料在電子、航空、航天、機(jī)械、微電子等眾多領(lǐng)域中具備了廣闊的應(yīng)用空間。非晶合金可以用來制作結(jié)構(gòu)材料、精密光學(xué)材料、工具

8、材料及磁性材料等。 例如，用于航空航天領(lǐng)域，可以減輕電源、設(shè)備重量，增加有效載荷。用于民用電力、電子設(shè)備，可大大縮小電源體積，提高效率，增強(qiáng)抗干擾能力。微型鐵芯可大量應(yīng)用于綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)ISDN中的變壓器。非晶條帶用來制造超級(jí)市場和圖書館防盜系統(tǒng)的傳感器標(biāo)簽。非晶合金神奇的功效，具有廣闊的市場前景。 非晶變壓器：非晶合金鐵芯變壓器是用新型導(dǎo)磁材料非晶合金制作鐵芯而成的變壓器，它比硅鋼片作鐵芯變壓器的空載損耗(指變壓器次級(jí)開路時(shí)，在初級(jí)測得的功率損耗)下降80%左右，空載電流(變壓器次級(jí)開路時(shí)，初級(jí)仍有一定的電流，這部分電流稱為空載電流)下降約85%，是目前節(jié)能效果較理想的配電變壓器，特別適用于

9、農(nóng)村電網(wǎng)和發(fā)展中地區(qū)等負(fù)載率較低的地方。 非晶硅薄膜太陽能電池是一種以非晶硅化合物為基本組成的薄膜太陽能電池。 由于其反應(yīng)溫度低，可在200左右的溫度下制造，因此可以在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上淀積薄膜，易于大面積化生產(chǎn)，成本較低；能量返回期短；適于大批量生產(chǎn)；高溫性能好；弱光響應(yīng)好，充電效率高。上述獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，令薄膜硅電池在民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如光伏建筑一體化、大規(guī)模低成本發(fā)電站、太陽能照明光源。 非晶合金之所以能夠發(fā)揮其優(yōu)良的特性、是由于它具有構(gòu)造上的均勻性和組織上的均質(zhì)性。非晶合金顯示出良好的高磁導(dǎo)率，是因?yàn)樗鼪]有晶界及析出物質(zhì)，磁疇壁容易移動(dòng)，用不太的磁場就能立即

10、磁化。運(yùn)用真空技術(shù)制作的非晶磁性薄膜雜質(zhì)少，適于制作均質(zhì)的磁性薄膜。非晶視頻磁頭將載波頻率提高，使水平清晰度提高，以獲得細(xì)膩的畫面質(zhì)量。磁帶技術(shù)的新發(fā)展促使人們不斷提高對(duì)音頻磁頭的要求人們要求。它有盡可能高的初始導(dǎo)磁率,足夠高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度.高_(dá)唾爭一電阻,低磁滯損耗,高機(jī)械強(qiáng)度,并且要耐腐蝕,耐磨損 。非晶態(tài)磁頭的優(yōu)點(diǎn)由非晶態(tài)材料制成的帶疊狀鐵芯的磁頭在磁性方面和機(jī)械方面都具有某些優(yōu)點(diǎn).由于這些疊狀鐵芯是以整體為單位進(jìn)行切衡的,因此可避免加工常規(guī)磁頭時(shí)因分別捆扎鐵芯而造成的尺寸不精確磁頭的磨損度很小,尺寸精度很高.所以能把隙縫深度做得較小,這有利于改善音頻磁頭效果。非晶態(tài)合金的硬度高,加之該材料的其它特性,故磁頭壽命特別長. 非晶態(tài)合金釬焊材料是一種新型的焊接材料，與晶態(tài)釬焊材料相比，它具有材質(zhì)純凈、組織均勻、釬焊質(zhì)量高、除能有效替代晶態(tài)釬焊材料外、還能在許多領(lǐng)域中解決一些用晶態(tài)釬焊材料難以解決的問題。廣泛用于航空