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非晶合金是什么材料

溅射靶材 2020-06-03 10:23

  非晶合金是什么材料

  非晶合金是由超急冷凝固,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,没有晶态合金的晶粒、晶界存在。这种非晶合金具抄有许多独特的性能,由于它的性能优异、工艺简单,从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。

  铁基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B类金属元素所构成,它具有高饱和磁感应强度(1.54T),磁导率、激磁电流和铁损等各方面都优于硅钢片的特点,特别是铁损低(为取向硅钢片的1/3-1/5),代替硅钢做配电变压器zd可节能60-70%。铁基非晶合金的带材厚度为0.03mm左右,广泛应用于配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变压器及逆变器铁芯, 适合于10kHz 以下频率使用。

  首先,我们聊一聊什么是晶体、什么是非晶。简单来说,评判晶体非晶体的标准是微观组 成粒子的排列是否具有长程有序和平移对称性。如果有,如图1(a),则是晶体,反之,则 如图1(b)非晶。

固态物质中晶态a和非晶态b物质粒子排布示意图

  当然,解决晶体、非晶体的问题还远远不够。因为要谈非晶合金,我们还会遇到非晶体、玻璃、非晶合金、金属玻璃、氧化物玻璃、高分子玻璃、液态金属……是不是给这些术语给跪了?

  他们之间有区别也有联系。在区分他们之前,先要介绍一下非晶的制备原理,之后,你便会很轻松的区分这些繁杂的术语。

  “玻璃”一般是特指熔体快速冷却得到的非晶体(换句话说,得到非晶体的方法可不止一种哦!还有气相沉积、机械合金化、激光制备等等)。这里所说的玻璃可千万不要和窗户玻璃对等哦,它的含义可比我们日常生活中看到的窗户玻璃可要广多了。而金属玻璃,则是由合金熔体经过快速冷却的方式制备得来,一类特殊的玻璃。他们的内涵在一步步的缩小,可以用下面这个示意图来表示:

金属玻璃、玻璃、非晶

  当然,今天的主角很任性,它有很多名字,比较常见的名字有三个:非晶合金、金属玻璃、液态金属。严格起来,这三个名字还是有一些不同的哦。

  前面说到,玻璃是非晶的一种,那么金属玻璃就是非晶合金的一种(谁叫非晶的涵义比玻璃广呢)。

  最容易让人误解的应该是液态金属这个名字。就像“液态金属戒指”,不少人听到这个名字就有疑问了:都是液体了,怎么做戒指?这里所指的液态,不是指宏观形态上是液态的。当金属被熔融之后,丧失了长程有序、平移对称性,成为了非晶体。当对液体状金属进行急冷,那这种非晶态就被保留下来了。从宏观上,合金是固体形状,但微观上还是保留了液态的结构特征,所以,形象地称之为液态金属。

  不过要注意的是,像Hg、Ga之类的低熔点金属,也被称之为液态金属。他们说的液态,是指宏观形状是液体的金属。这一类的液态金属比较符合大众认知。

  如果继续细分开来,液态金属和金属玻璃也是两个不同的概念。玻璃的凝固过程中需要经历一个过冷液相区,即玻璃化转变温度与晶化温度这一温度区间,熔体结构在该温度范围内被迅速冻结,形成了最终的玻璃。而液态金属则是从液态结构直接冻结而来,所以,内部原子必然会有细微的区别。

  是不是经过我这一番描述,大家是不是对非晶合金、金属玻璃、液态金属的区别有了一些认识。

  但是,实际研究中,学者们对非晶合金、金属玻璃以及液态金属常常并不加以细究!天哪!我的介绍还真是“然卵用”。

  说完它的非晶合金的名字,下面再来说说他的体系和制备方法。

  在非晶合金的开发方面,目前已在包括Pd、Pt、Au、Mg、Ca、Zr、Ti、Hf、Cu、Fe、Co、Ni、和稀土(如La、Nd、Ce)基等在内的数十种合金体系。目前非晶合金一共有非晶薄带、非晶粉末、块体非晶这几种形式,它们的制备方法可以简单归纳为:

非晶合金,块体非晶,非晶粉末,非晶薄带

  具体的制备方法就不细谈了,我用其他的方式来解读一下。普通金属就像一个教室,里边整整齐齐坐满了听课的小朋友。下课铃响之后,小朋友们纷纷从自己的座位上站起来,在教室里四处游荡,打闹的打闹,聊天的聊天,这个时候的教室就像液体状的金属,里边的原子不再整齐排列。当上课铃响,同学们迅速回到自己的座位上,这就是液体金属冷却后重新恢复成晶体金属。但是,这时候冲进来一个奥特曼,大叫一声“时间停止”!玩闹的同学们没法回到自己的位置,所以教室里还是乱糟糟的。这个时候的教室,就是非晶合金。

  非晶合金的性能和用途

  材料冶金中的圣经,非《Physical Metallurgy》莫属,该书最新版本将之前的“METASTABLE STATES OF ALLOYS”一章,进行了改编,内容依然由非晶领域的先驱者,英国剑桥大学教授A. L. Greer执笔,但题目已变为“METALLIC GLASSES”(金属玻璃)。纵观近五十年的非晶研究历史,已有已经有4 位科学家因从事和非晶相关的工作而获得诺贝尔奖,他们是:P. W. Anderson,N. F. Mott,P. J.Flory和高锟。非晶业内把这种新材料的出现,称之为冶金学和材料学的一次革命。

  且不论是不是革命,非晶合金必然有几把刷子。

  首先,相比于晶态材料,非晶合金不存在位错、层错、晶界等缺陷,因此,这类合金表现出特殊的力学性能,如极高的断裂强度和硬度:Ni-Ta基块体非晶合金的断裂强度超过3.0 GPa,而Co基的断裂强度更是高达5185 MPa;某些Fe基的维氏硬度(Hv)可达12.53 GPa。Co基非晶合金的强度高达到创纪录的6.0 GPa!

  而且,它的弹性极限远高于晶态合金,通常为2%。所以非晶合金的弹跳性非常好!如果你有非晶戒指可以试一试往桌子上扔一扔,蹦跶个半米高完全没问题。但是,室温拉伸塑性变形能力的缺乏,限制了它们作为结构材料的应用。为提高金属玻璃的拉伸塑性,学者们也不断努力。北京科技大学吕昭平教授课题组所开发具有相变诱导塑性的非晶合金复合材料将其拉伸塑性提升至7%,这一重大研究发现为非晶合金作为工程材料应用提供了可能,相关结果已发表在《Adv. Mater.》上。

  它比晶态合金更具有较强的局部耐蚀性能。例如,Zr基非晶合金的耐腐蚀性是不锈钢的100倍,在Ni-Ta基块体非晶合金与316L不锈钢的耐腐性比较中发现,在1mol/L HCl溶液中,Ni60Ta15Ti20Zr5和Ni48Ta15Ti20Zr5Co7Cu5耐腐蚀性皆优于SUS316L不锈钢。

  好了,不掉书袋了,我们还是看看现在非晶合金都在哪用到了。

  先介绍介绍非晶合金在我们身边直观感受范围的应用。前面提到,非晶合金强度高、硬度高,没有晶界的限制,而且由于良好的流动性,可以一次成型,开始在3C产品上展露头角。例如图灵机器人工业公司发布了一款手机,采用的就是非晶合金外框:

金属玻璃在3C产品中的应用

  高抗拉强度、良好延展性、高弹性能、高冲击断裂性、高抗腐蚀性、良好的固有低频振动阻尼的Zr基块体非晶合金在高尔夫、滑雪、棒球、滑冰、网球拍等体育用品均得到了应用。例如网球明星阿加西就曾手持非晶合金框架做的网球拍上过球场。Ebay上这款网球拍好像在600人民币左右。

非晶合金框架做的网球拍

  块体非晶还在军工方面有较广的应用。非晶合金材料在高速载荷作用下具有非常高的动态断裂韧性,在侵彻金属时具有良好的自锐性,是穿甲弹芯的首选材料之一。国外目前开发研制的Zr基非晶合金的断裂韧性可达60Mpa.m1/2,是已发现的最为优异的穿甲弹芯材料。同时利用大块非晶合金的高硬度特性还可以成为穿甲防护材料,如装甲,防弹背心等。

  现代社会需要越来越多的微型机械,这些机械不仅在尺寸精度上要求严格,其组成零件还需具有高的力学性能,常规的加工工艺难以保证加工精度。非晶合金在超冷液相区具有优异的塑性变形能力,可以通过粘性流动形成各种复杂的形状。

  非晶合金应用最多的是软磁材料方面。与传统金属磁性材料相比,铁基非晶合金高导磁率、低损耗,可替代传统的硅钢、坡莫合金以制作变压器铁芯、电机铁芯、电抗器、互感器、传感器等等。例如使用非晶合金,可以大大提高变压器效率,降低配电变压器的铁损60~70%,同时减小体积和重量。我国30~60%电网损耗来自变压器损耗,电网损耗降低1%,每年就可以节电约360 亿度。国家电网已经明确要求新增的配电变压器,必须60%以上使用非晶合金铁心变压器。

  新能源汽车:最近火热讨论的话题中,新能源汽车能算其一。在新能源汽车尤其是电动汽车的传感器、滤波器、高频变压器、高性能电磁屏蔽材料和吸波材料以及电机等方面的应用中,非晶合金制作的软磁材料使用广泛,具有小电流启动大扭矩、高速扭矩不衰减和高速节能等优势。

  地热:非晶合金带材在地热系统中成为新的宠儿。非晶带材的无序结构使其具有比同成分的结晶固体更高的电阻,其表面积较大,传热高效,干湿环境通用,且清洁可回收,不含有害的电磁辐射,具有较高的安全性和耐用性。

  生物医学:块体非晶合金在生物医用领域的应用广泛,从整形外科、心血管到牙齿植入物和填充物。比如在生物医用设备、生物医用植入物的使用上,具有良好机械性又耐腐蚀的非晶合金体是最佳选择;而在骨折修复材料、吸收性缝线、骨骼填充物等方面,更适合选择随着病痛治愈而被逐渐降解吸收的非晶合金体。

  耐磨涂层:非晶合金涂层具有较强的耐腐蚀性、耐气蚀性、抗磨损性、抗热冲击性、摩擦系数小等优点,可加工性强、工程应用简单。如钻具耐磨带、注水泵往复泵柱塞、高压球阀、CFB水冷壁防护、水电站转轮室等处使用非晶合金材料涂层,大大提升了使用寿命,保护内部材料的性能。

  军工航天:与传统材料相比,非晶合金钢具有更低成本、更高强度。得益于非晶合金材料高速载荷下所具有的高动态断裂韧性,在军事兵器尤其是穿甲弹的研制上,非晶合金钢是穿甲弹芯的首选材料之一。与此同时,非晶合金钢也作为穿甲防护材料,用于军用装甲、防弹衣以及卫星的陨石防护罩的制作。

  如果嫌上边很啰嗦,可以看看非晶材料学术委员会的一个总结性表格:

非晶材料行业应用

  看完这些介绍,你是否有想从事非晶合金的冲动呢?想知道哪些高校在研究吗?目前,从事这方面的研究团队有中科院物理所、金属所、北京科技大学、北京航空航天大学、浙江大学、大连理工大学等等。

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