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非晶态材料

发布时间:2021-10-16 阅读:

什么是非晶态材料

是指用人工方法将晶体材料加工成具有特殊功能的非晶态物质。

非晶态材料的特点和种类

一般来说,非晶态物质具有以下基本特征:不具有长程有序的晶格结构;具有高10泊以上的粘滞系数;在某一窄的温区内能够发生明显的结构相变。和晶态物质相比,非晶态物质在基础理论、微观结构、宏观特性以及新材料、新工艺等方面尚有许多问题有待解决,因此,对非晶态物质的研究和探索,是一个十分活跃的前沿领域。

非晶态材料是一种新型的功能材料,其种类包括传统的氧化物玻璃、已经广泛应用的非晶态高分子聚合物、以及发展迅速的非晶态金属、非晶态半导体、非晶态离子导体、非晶态超导体等。

非晶态材料的制备工艺

目前,非晶态材料的制备工艺主要以快冷凝固技术为主。快冷凝固又包括急冷技术和大过冷技术。急冷技术就是将熔融液态金属以液滴形式或以柱状流、带状流形式传递到高导热能力介质上,以获得极高的冷却速度,从而得到非晶态金属物质。这种技术包括液滴喷射技术、急冷块体高速旋转技术(CBMS技术)、双辊快淬技术、平面流动铸造技术(PFC技术)、熔融金属拉拔技术以及Pisto-Anvil技术等;大过冷技术包括多级雾化技术等。而其他方法则包括机械合金化(MA)、机械球磨(MM)、气相沉积法等。在这些发展的制备技术中,尤以CBMS、PFC、MM、MA最为引人注目而且富有代表性,并为多数实验室和企业研究与采用。

非晶态材料的性能及应用

非晶态合金自从问世以来,由于其性能上的特色,引起冶金工作者们极大的研究兴趣,目前,非晶态合金已经进入应用领域,有着相当广泛的应用前景,下面结合非晶态材料的性能特点,介绍一下其主要应用。

1.良好的机械性能

研究表明,非晶态合金的强度、韧性和耐磨性明显高于普通钢铁材料,用非晶态材料和其他材料可以制备成复合材料,也可以单独制成耐磨器件。例如,拉丝后纤维化的非晶态Fe—Ta—Si—B(铁钽硅硼)合金线材,拉伸强度高达400 kg/mm,为钢琴丝的1.4倍,是一般钢丝的10倍。因此,它可以用来制作高尔夫球杆、钓鱼杆等,此外,还可以用来制作高强度的火箭壳体。

2.优异的化学性能

研究表明,非晶态合金对某些化学反应具有明显得催化作用,可以用作化工催化剂,如Fe20Ni60B20非晶态合金;某些非晶态合金通过化学反应可以吸收和放出氢,可以用作储氢材料。由于没有晶粒和晶界,非晶态合金比晶态合金更加耐磨蚀,如Fe70Cr10P13C7、Ni—Cr—P13B7等。因此,它可以成为化工、海洋等一些易腐蚀的环境中应用设备的首选材料。实验表明,含有一定量的Cr和P的非晶态合金具有极其优异的抗腐蚀性能,特别是抗孔蚀性能。例如,Fe80P13C17合金本来耐腐蚀性能较差,但添加第二种金属元素(如Cr、Ni、Co等)后,成为非晶态合金后,耐蚀性能大大增加。一般说来,非晶态铁基合金按添加元素Co 、Ni、W 、Mo、Cr的顺序,耐腐蚀能力一次提高,其原因是由于这些元素能够在合金表明迅速形成厚的均匀的高抗腐蚀的钝化膜保护表面保护层。

非晶态合金铁芯还广泛地应用在各种高频功率器件和传感器件上,用非晶态合金铁芯变压器制造的高频逆变焊机,大大提高了电源工作频率和效率,焊机体积成倍缩小。此外,非晶磁性材料还制成立体声系统的磁头和非晶态小磁芯,从而使电子器件朝着高效、节能、小型化方向发展。将非晶态合金进行退火处理晶化以后,还可制得块体纳米磁性材料或微晶材料。非晶合金作为软磁材料有很广阔的应用前景,但也不能忽视存在的问题:①温度对磁的不稳定性影响较大,尤其当开始出现结晶时,矫顽力增加,铁损及磁导率也随之发生变化;②非晶态软磁合金的高磁导率性能只停留在铁镍合金水平上;③非晶软磁合金作电力设备时,不能制造出很宽的薄板,批量生产成本高,饱和磁感应强度比不锈钢低。

总之,非晶合金在工业应用方面较传统结构材料有着非常多的优势。许多国家已经开始大力发展这个新兴工业。1989年,美国的Allied公司建立厂年产6万t的非晶薄带生产线,一生产配电变压器用的非晶薄带为主。日本、西欧主要在高频开关电源家用电器及电子器件方面应用较多。我国的非晶合金的研究工作从1976年开始,现已初步形成具有中国特色的非晶态合金科研和应用体系,达到国际先进水平,共取得100多项科研成果和20多项专利。目前,我国每年都有百万只非晶铁芯用于漏电开关。

3.优异的软磁学性能

非晶态合金结构的无序性决定了金属玻璃在外磁场作用下容易磁化,当外磁场除去后又很快消失,而且磁阻小。这说明非晶态合金具有优异的软磁学性能——磁滞回线细长,磁导率高,矫顽力低,铁芯损耗低,容易磁化,也容易去磁。1980年6月,美国的爱理德·西格诺公司首先研制成功非晶态铁芯变压器,从而开创了非晶态合金最主要的应用领域——软磁性能的应用。其中最有经济效益的是以铁基合金玻璃作为磁学性能材料来制造变压器。采用非晶合金作为铁芯材料的配电变压器,其空载损耗可比同容量的硅钢芯变压器60%~80%。美国通过使用这种变压器每年可节约将近50×109KWH的空载损耗,节能产生的经济效益约为35亿美元。同时,减少电力损耗也就降低了发电的燃料消耗,从而减少诸如Co2S02NOx等有害气体的排放量。

非晶态材料的发展趋势

总之,非晶态材料是一种大有前途的新材料,但也有不尽如人意之处。其缺点主要表现在两方面,①由于主要是采用急冷法制备材料,使其厚度受到;②热力学上不稳定,受热有晶化倾向。另外,由于使用RSP技术生产非晶合金的规模太小以及只限于某些化学成分,并且高的冷却速度就会限制产品的大小和形状。目前,非晶合金的研究方向倾向于:

①通过非晶相的晶化获得纳晶相,从而制造一种非晶相为基体的纳晶复合材料,旨在得到好的物理性能,如获得好的软磁性能合金(Fe—Si—B—Nb—Cu合金,Finement合金):或者得到好的力学性能,如Al和Mg基非晶合金中的纳晶相使得该种复合材料具有极高的拉伸强度。

②具有大过冷液体区间和大的玻璃化形成能力的新型系列合金研发。

③探索玻璃化形成能力的原因。

④大块体非晶态合金的制备技术的发明。

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