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非晶态金属

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非晶态金属样品

非晶态金属(英语:Amorphous metal),是指在原子尺度上结构无序的一种金属材料。大部分金属材料具有很高的有序结构,原子呈现周期性排列(晶体),表现为平移对称性,或者是旋转对称,镜面对称,角对称(准晶体)等。而与此相反,非晶态金属不具有任何的长程有序结构,但具有短程有序和中程有序(中程有序正在研究中)。一般地,具有这种无序结构的非晶态金属可以从其液体状态直接冷却得到,故又称为“玻璃态”。所以,非晶态金属又称为“金属玻璃”(Glassy metal、Metallic Glass)、“玻璃态金属”、“液态金属”(Liquid metal)或大块金属玻璃(Bulk Metallic Glass,BMG)是一种具有较低冷却速度极限的非晶态金属,所以该种金属合金可以制备出尺度超过1毫米的金属片或金属圆柱。制备非晶态金属的方法包括:物理气相沉积、固相烧结法、离子辐射法、甩带法(连续铸造英语continuous casting法其中一种)和机械法。

性质

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常见的金属或合金大部分都是晶态金属。金属或合金呈现液态(熔融态)时,原子与原子间的金属键会被打断,晶格被破坏,这时如果缓慢冷却,原子和原子间会有序地排列,重新形成晶格,成为常见的晶态金属;如果快速冷却,原子间便会以无序的方式堆积,就会形成非晶态金属[1]。可以以晶态金属为原料制造非晶态金属,构成两者的原子种类相同而排列结构不同,所以在力学、电磁学或化学性质方面都有些许不同之处[2]化学式表示法也有些许不同,通常晶态金属会以最简式表达,非晶态金属则会写成结构简式

块状的的非晶态金属硬度(的2倍)、强度(钛的3倍)与抗永久变形能力都非常好,然而其剪切带(shear band)在高度受力时较材料的其他处更容易变形,进而可能导致整块金属断裂。此问题尚有待克服[3]

薄膜状的非晶体金属不像块状时容易发生断裂,没有晶界,有疏水性而不容易沾黏,能阻隔某些杂质的原子扩散到重要元件内,可应用在医疗与半导体产业上[4]

与晶态金属不同,非晶态金属必须要经过玻璃转化温度(Tg)、结晶化温度(Tx)与液态温度后才会由固态转为液态(晶态金属只要超过熔点便会转为液态),且在此期间非晶态金属会呈现介于固态和液态间的过冷液相,具有非常高的可塑性。[5]

由于铁基非晶态金属不具长程有序结构,其磁化及消磁均较一般磁性材料容易。因此,以铁基非晶合金作为磁芯的非晶合金变压器,铁损(即空载损耗)要比一般采用硅钢作为铁芯的传统变压器低70-80%,对电网节能降耗有积极作用。[6]

发展历史

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1960年,W. Klement (Jr.), Willens 和 Duwez 首次制备观察到了世界上第一块金属玻璃材料—— (Au75Si25)合金[7] 早期发现具有玻璃形成能力的合金均是在急速冷却下制备(降温速率在1百万开尔文每秒, 106 K/s),阻碍结晶过程。 为了达到冷却速率阈值,这类材料的形貌在某个维度上要足够小,典型的如带状、箔状、线状等,其厚度要小于100微米

1969年,发现合金77.5% 、6% 、16.5% 的玻璃化临界降温速率仅在 100 到 1000 K/s之间。

1976年, H. Liebermann 和 C. Graham 发展一类新型非晶金属制备方法,通过单辊甩带机实现骤冷[8] 实验中采用的合金由构成。在1980年代初投入商业应用,是低损耗输电变压器的核心构件(非晶合金变压器

80年代初,通过热冷循环处理后的表面刻蚀,Pd55Pb22.5Sb22.5合金形成的玻璃态块材直径达到5毫米。

1988年,发现镧系、铝系和铜系合金有着较高的玻璃形成能力。

90年代,新型合金的玻璃态临界降温速率降至1K/s。这一降温速率在普通的模具浇铸法中即可实现。 这些块状的非晶合金铸件厚度可达数厘米(最大厚度与合金种类相关)。

玻璃形成能力最强的合金来自锆系和钯系。铁系、钛系、铜系、镁系等合金的也具备玻璃形成能力。 许多非晶合金的形成借助了一类的“混合效应”。

参考资料

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  1. ^ 何镇扬. 金屬玻璃(Metallic Glass). 国立台湾大学. 2009-07-29 [2021-07-29]. (原始内容存档于2020-05-26) (中文). 金属或合金在融熔状态下缓慢冷却,得到的是晶态金属或晶态合金。如果在融熔状态下以极高的速度骤冷(冷却速度为 106 K/s),因原子来不及有序化排列,形成的是非晶态金属或合金... 
  2. ^ 何镇扬. 金屬玻璃(Metallic Glass). 国立台湾大学. 2009-07-29 [2021-07-29]. (原始内容存档于2020-05-26) (中文). 金属玻璃与晶态金属相比,虽然化学成分相似甚至相同,但由于结构不同,无论在力学、电学、磁学及化学性质等方面都有一定的独特之处 
  3. ^ 薛承辉. 金屬玻璃之發展與應用 (PDF). 台大校友双月刊. 2015, (98期): P.8–P.9 [2021-07-29]. (原始内容 (PDF)存档于2021-07-29). 
  4. ^ 薛承辉. 金屬玻璃之發展與應用 (PDF). 台大校友双月刊. 2015, (98期): P.10 [2021-07-29]. (原始内容 (PDF)存档于2021-07-29). 
  5. ^ 薛承辉. 金屬玻璃之發展與應用 (PDF). 台大校友双月刊. 2015, (98期): P.8 [2021-07-29]. (原始内容 (PDF)存档于2021-07-29). 
  6. ^ 详见"国家电网公司重点应用新技术目录(2006年第一批), ISBN 978-7-5083-5266-4"
  7. ^ Klement, W.; Willens, R. H.; Duwez, POL. Non-crystalline Structure in Solidified Gold-Silicon Alloys. Nature. 1960, 187 (4740): 869–870. Bibcode:1960Natur.187..869K. doi:10.1038/187869b0. 
  8. ^ Libermann H. and Graham C. Production Of Amorphous Alloy Ribbons And Effects Of Apparatus Parameters On Ribbon Dimensions. IEEE Transactions on Magnetics. 1976, 12 (6): 921. Bibcode:1976ITM....12..921L. doi:10.1109/TMAG.1976.1059201. 

相关条目

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