第5章 非晶态材料的制备 ppt课件
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第5章 非晶态合金..
随机网络模型
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无序密堆硬球模型：由贝尔纳提出，用于研究液态金属的结 构。 无序密堆结构仅由五种不同的多面体组成，如图，称为贝 尔纳多面体。
该模型中，这些多面体作不规则的又是连续的堆积。无序 密堆硬球模型所得出的双体分布函数与实验结果定性相符， 但细节上也存在误差。 2018/10/5
由径向分布函数求出最近邻原子数及最近原子间距离等参数， 依照这些参数，描述原子排列情况及材料的结构。
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分 类
最普遍 的方法
2018/10/5
中子衍射方法
x射线射
电子衍射
3
近年来发展了用扩展x射线吸收精细结构(EXAFS)的方法研 究非晶态材料的结构。 根据x射线在某种元素原子吸收限附近吸收系数的精细变化， 来分析非晶态材料中原子的近程排列情况。
1．微晶模型 该模型认为非晶态材料是由“晶粒”非常细小的微晶粒 组成。 非晶态结构和多晶体结构相似，只是“晶粒“尺寸只有几
埃到几十埃”。
微晶内的短程有序结构和晶态相同，但各个微晶的取向 是杂乱分布的，形成长程无序结构。
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9
从微晶模型计算
得出的分布函数和衍
射实验结果定性相符， 但细节上(定量上)符
了的时间。将各温度下的转变开始点和终了点都绘在温度
－时间坐标系中，并将不同温度下的转变开始点和转变终 了点分别连接成曲线，就可以得到等温转变曲线。
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2. 等温转变动力学图
98% 转 变 体 积 50% 分 数 1% T1 温 T2 度 T3 T3 T2
T1>T2>T3 T1
合得并不理想。如图。
2018/10/5
非晶态材料的制备课件
20世纪末至今
随着科技的发展，非晶态 材料的应用领域不断扩大 ，成为材料科学领域的重 要分支。
02
非晶态材料的制备方法
气相沉积法
物理气相沉积法
利用物理方法（如真空蒸发、溅射等 ）将材料从固态转化为气态，然后沉 积在基底上形成非晶态薄膜。
化学气相沉积法
通过化学反应将气态前驱体转化为非 晶态材料，通常需要在较高的温度和 压力下进行。
燃料电池
非晶态材料可以作为燃料电池的电极材料，提高 电极的催化活性和稳定性。
储能电池
非晶态材料具有较高的能量密度和快速的充放电 能力，可用于制造高能电池。
在电子信息领域的应用
集成电路
非晶态材料具有优良的导电性和稳定性，可以用于制造集成电路 中的金属导线。
电子器件
非晶态材料可以用于制造电子器件的电极和半导体层，提高器件性 能和稳定性。
绿色可持续发展
在非晶态材料的制备过程中，需要关 注环保和可持续发展，开发低能耗、 低污染的制备方法，以实现绿色生产 。
THANKS
感谢观看
非晶态材料内部原子排列相对较 为规整，存在一定的短程有序结 构，这使得非晶态材料具有一定
的物理和化学性能。
无明显的界面
非晶态材料内部原子排列较为连 续，没有明显的界面或晶界存在 ，这使得非晶态材料在某些方面
具有更好的性能。
04
非晶态材料的应用前景
在新能源领域的应用
太阳能电池
非晶态材料可以用于制造高效、低成本的太阳能 电池，提高光电转换效率。
非晶态材料的应用领域
01
02
03
机械工程
用于制造耐磨、耐腐蚀的 零部件，如轴承、齿轮等 。
电子工程
用于制造电子元器件，如 非晶态金属薄膜、非晶态 半导体等。
第5章 非晶态材料的制备
2
44
非晶态材料的基本概念和基本性质
固体材料可分成几个层次：
在完美的单晶体中，原子在整块材料中的排列 都是规则有序的；
在多晶体和微晶体中，只有在晶粒内部，原子 的排列才是有序的，而多晶体中的晶粒尺寸通 常部比微晶体中的更大一些，经过腐蚀后，用 一般的金相显微镜甚至用肉眼都可以看出晶粒 和晶界；
定义玻璃化温度Tg为粘度相当于1013泊时的温度，这时位形 熵最小，几乎为零。因此只有当熔体冷却温度值低于玻璃 化温度时，非晶态才趋于稳定。为防止结晶发生，一般要 求熔体的过冷度ΔT（=Tm－Tg, Tm为热力学熔点，即粘度接 近于零时的温度）要小。实践上，经常将无机化合物的Tg, 作纵坐标、Tm作横坐标，对画成一直线，直线Tg/Tm=2/3， 形成非晶态的冷却速度相当于102℃/sec，如用此冷凝速度， 在直线上方的物质容易形成非晶态，在直线下方的物质则 难以形成非晶态；若Tg/Tm=1/2，则要使该直线上方的物质 形成非晶态，冷却速度要不小于103~105℃/sec。
在非晶体中，不存在晶粒和晶界，不具有长程 有序。
2
55
非晶态材料的基本概念和基本性质
非晶态的基本定义
非晶态固体中的无序并不是绝对的“混乱”，而是破坏 了有序系统的某些对称性，形成了一种有缺陷、不完整 的短程有序。
一般认为，组成物质的原子、分子的空间排列不呈周期 性和平移对称性，晶态的长程有序受到破坏，只有由于 原子间的相互关联作用，使其在小于几个原子间距的小 区间内(1～1.5nm)，仍然保持形貌和组分的某些有序 特征而具有短程有序，这样一类特殊的物质状态统称非 晶态。
➢ 非晶态半导体材料 （Si、Ge以及部分硫化物）
➢ 非晶态超导体 （非晶合金）
➢ 非晶态高分子材料
第5章 非晶态材料的制备讲解
材料合成与制备
李亚伟 赵雷 无机非金属材料系
2018/10/12/10:12:23
第5章 非晶态材料的制备
Non-crystalline Materials Synthesis
2018/10/12/10:12:24
2
5.1非晶态材料的基本概念和基本性质
固体材料可以按照其中原子的排列的有序程度分为晶态 和非晶态两大类。
2018/10/12/10:12:24 19
非晶态固体的形成规律
非晶固体的形成大致可以分为3类：
第一类为类金属元素（或弱金属元素）与非 金属元素的组合。类金属元素主要是周期表中 ⅢA 、 ⅣA 、 ⅤA 元素，非金属元素主要是 ⅥA 和 ⅦA 元素，它们能形成诸如氧化物、硫化物、硒
化物、氟化物和氯化物等非晶态物质；
这一模型最早是由贝尔纳(Bernal)提出，用来研究液态金属结构的。他 在一只橡皮袋中装满钢球、进行搓揉挤压，使得从橡皮袋表面看去， 钢球不呈现规则的周期排列。贝尔纳经过仔细观察，发现无序密堆结 构仅由五种不同的多面体所组成—贝尔纳多面体
贝尔纳多面体
2018/10/12/10:12:24
26
非晶态固体的结构模型
2018/10/12/10:12:24
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非晶态固体制备
非晶态固体与晶态固体相比，从微观结构讲有序 性低；从热力学讲，自由能要高，是一种亚稳态。基 于这样的特点，制备非晶态固体必须解决下述 2个问 题： （1）必须形成原子或分子混乱排列的状态； （2）必须将这种热力学上的亚稳态在一定的温度 范围内保存下来，使之不向晶态转变。
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非晶态材料的基本概念和基本性质 非晶态的基本定义 非晶态固体中的无序并不是绝对的“混乱”，而是 破坏了有序系统的某些对称性，形成了一种有缺陷、不 完整的短程有序。 一般认为，组成物质的原子、分子的空间排列不呈 周期性和平移对称性，晶态的长程有序受到破坏，只有 由于原子间的相互关联作用，使其在小于几个原子间距 的小区间内(1～1.5nm)，仍然保持形貌和组分的某些有 序特征而具有短程有序，这样一类特殊的物质状态统称 非晶态。
李亚伟 赵雷 无机非金属材料系
2018/10/12/10:12:23
第5章 非晶态材料的制备
Non-crystalline Materials Synthesis
2018/10/12/10:12:24
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5.1非晶态材料的基本概念和基本性质
固体材料可以按照其中原子的排列的有序程度分为晶态 和非晶态两大类。
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非晶态固体的形成规律
非晶固体的形成大致可以分为3类：
第一类为类金属元素（或弱金属元素）与非 金属元素的组合。类金属元素主要是周期表中 ⅢA 、 ⅣA 、 ⅤA 元素，非金属元素主要是 ⅥA 和 ⅦA 元素，它们能形成诸如氧化物、硫化物、硒
化物、氟化物和氯化物等非晶态物质；
这一模型最早是由贝尔纳(Bernal)提出，用来研究液态金属结构的。他 在一只橡皮袋中装满钢球、进行搓揉挤压，使得从橡皮袋表面看去， 钢球不呈现规则的周期排列。贝尔纳经过仔细观察，发现无序密堆结 构仅由五种不同的多面体所组成—贝尔纳多面体
贝尔纳多面体
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非晶态固体的结构模型
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非晶态固体制备
非晶态固体与晶态固体相比，从微观结构讲有序 性低；从热力学讲，自由能要高，是一种亚稳态。基 于这样的特点，制备非晶态固体必须解决下述 2个问 题： （1）必须形成原子或分子混乱排列的状态； （2）必须将这种热力学上的亚稳态在一定的温度 范围内保存下来，使之不向晶态转变。
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非晶态材料的基本概念和基本性质 非晶态的基本定义 非晶态固体中的无序并不是绝对的“混乱”，而是 破坏了有序系统的某些对称性，形成了一种有缺陷、不 完整的短程有序。 一般认为，组成物质的原子、分子的空间排列不呈 周期性和平移对称性，晶态的长程有序受到破坏，只有 由于原子间的相互关联作用，使其在小于几个原子间距 的小区间内(1～1.5nm)，仍然保持形貌和组分的某些有 序特征而具有短程有序，这样一类特殊的物质状态统称 非晶态。
材料制备技术 7.3非晶态材料的制备.ppt
非晶态材料的制备
2020/2/1
1
非晶的结构
晶体和非晶体都是真实的固体，基本的区别 在于它们微观的原子尺度结构上的不同。在晶体 中原子的排列具有长程有序。相反在非晶态固体 中没有长程序，原子的排列极其无序
2020/2/1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2
非晶态材料的特性
1. 高强度、高韧性
高强度、高韧性是金属玻璃的宝贵性质。
对于金属材料，通常是高强度、高硬度，但是韧 性较差。
2020/2/1
36
非晶态材料的应用
形状记忆合金之所以具有“记忆智能”，是因为它 们都有自己特定的转变温度。以镍钛合金来说，它 的转变温度在40℃左右，在40℃以上时它很坚硬， 强度也很高；在40℃以下时，它相当软，强度低， 可以方便地做成各种形状。这样当我们需要它“记 住”某种形状时，可以先把它做成那种形状，进行 “热处理”，让它牢牢记住。在转变温度以下它很 软，可以随意变形，若要它恢复原形，只要加热到 转变温度以上就行了。人们已经发现了几十种形状 记忆合金，大多数含镍元素。
2020/2/1
7
非晶态材料的特性
4.超导电性 由于超导合金较脆，不易加工成磁体和传输
导线。1975年Duwez首先发现La-Au非晶态合 金具有超导性，后来又发现了许多其他非晶 态超导合金。
2020/2/1
8
非晶态材料的特性
5. 非晶半导体的光学性质
非晶态半导体可分为离子型和共价型两大类。一类 包括卤化物玻璃、氧化物玻璃，特别是过渡金属 氧化物玻璃。另一类是元素半导体。如非晶态Si、 Ge等。这些非晶态半导体呈现出特殊的光性质。
2020/2/1
10
非晶态材料的特性
（3）光致发光性质 6. 其他性质 非晶态材料具有室温电阻率高和负的电阻温
2020/2/1
1
非晶的结构
晶体和非晶体都是真实的固体，基本的区别 在于它们微观的原子尺度结构上的不同。在晶体 中原子的排列具有长程有序。相反在非晶态固体 中没有长程序，原子的排列极其无序
2020/2/1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2
非晶态材料的特性
1. 高强度、高韧性
高强度、高韧性是金属玻璃的宝贵性质。
对于金属材料，通常是高强度、高硬度，但是韧 性较差。
2020/2/1
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非晶态材料的应用
形状记忆合金之所以具有“记忆智能”，是因为它 们都有自己特定的转变温度。以镍钛合金来说，它 的转变温度在40℃左右，在40℃以上时它很坚硬， 强度也很高；在40℃以下时，它相当软，强度低， 可以方便地做成各种形状。这样当我们需要它“记 住”某种形状时，可以先把它做成那种形状，进行 “热处理”，让它牢牢记住。在转变温度以下它很 软，可以随意变形，若要它恢复原形，只要加热到 转变温度以上就行了。人们已经发现了几十种形状 记忆合金，大多数含镍元素。
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非晶态材料的特性
4.超导电性 由于超导合金较脆，不易加工成磁体和传输
导线。1975年Duwez首先发现La-Au非晶态合 金具有超导性，后来又发现了许多其他非晶 态超导合金。
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8
非晶态材料的特性
5. 非晶半导体的光学性质
非晶态半导体可分为离子型和共价型两大类。一类 包括卤化物玻璃、氧化物玻璃，特别是过渡金属 氧化物玻璃。另一类是元素半导体。如非晶态Si、 Ge等。这些非晶态半导体呈现出特殊的光性质。
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非晶态材料的特性
（3）光致发光性质 6. 其他性质 非晶态材料具有室温电阻率高和负的电阻温
第五章 非晶态材料的制备
18
• （3）软磁特性
软磁材料
磁场强度H的国际单位是A/m。高斯单位是Oe（奥斯特）。
19
• （3）软磁特性
• 所谓“软磁特性”是指磁导率和饱和磁感应强度高，
矫顽力和损耗低。
• 目前使用软磁材料多为结晶材料，具有磁晶各向异性
而互相干扰，结果使磁导率下降。
• 非晶态合金中没有晶粒，不存在磁晶各向异性，磁特
命物质以及液晶都属于这一范畴。
• 在聚合物中，连接的原子的单向性（不对称性）呈现
无规则变化时，该聚合物将形成无规立构体，此时表 现为非晶状态。
13
（5）非晶体玻璃
14
• （5）非晶体玻璃
• 石英玻璃：石英玻璃的结构是无序而均匀的，有序范围大约是
0.7~0.8nm。硅氧四面体[SiO4]之间的转角宽度完全是无序分布 的， [SiO4]以顶角相连，形成一种向三度空间发展的架状结构。
下而不发生结晶。
33
34
五. 非晶材料的制备
1.粉末冶金法
35
2. 气相直接凝聚法
36
• （2）真空蒸发沉积 • 由于纯金属的非晶薄膜晶化温度很低，因此，
常用真空蒸发配以液氮或液氦冷底板加以制备。
• 为减少杂质的掺入，常在具有1.33×10-8Pa以
上的超真空系统中进行样品的制备，沉积速率 一般为每小时几微米，膜厚为几十微米以下。
21
三、非晶态的形成
• 1. 影响非晶态合金形成的因素 • 内因：材料的非晶态形成能力。 • 外因：足够的冷却速度，使熔体在达到凝固温
度时，其内部原子还未来得及结晶就被冻结在 液态时所处位置附近，从而形成无定形的固体。
材料的非晶态形成能力： 合金 > 纯金属； 金属/ 非金属合金 > 金属/ 金属合金
非晶态合金制备综述ppt课件
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12
单辊急冷法（MS 法）
将合金熔体喷射到一个快速转动
的冷却铜辊表面,形成薄而连续的非 晶合金条带。将合金样品置于石英 管底部,调节石英管位置,使合金样 品处于感应圈中部,启动中频电源, 利用感应加热熔化合金样品,启动铜 辊,调节其转速并设定值后,降低石 英管,高压氩气推动合金熔体至冷却 铜辊表面,剥离气嘴中喷出的高压气 流将铜辊表面的合金条带吹离铜辊, 便可制得连续的非晶合金条带。
气相沉积法只能制备薄膜样品,并且需要精密的高真 空设备和监控装置。
最新版整理ppt
14
2.4 化学还原法
还原金属的盐溶液,得到非晶态合金。由该法制备的非晶 态合金组成不受低共熔点的限制。
化学还原法的基本原理是:用还原剂KBH4 (或NaBH4) 和 NaH2PO4 分别还原金属的盐溶液,得到非晶态合金。
2.1 液滴喷射技术
• 该技术也称为雾化技术。其原理是用高压气体或液体将连 续的液态金属流击碎为液滴。这种技术尤以 Duwez的 “枪”法最有代表性。
• 该技术的成功之处在于： ① 限制了熔融金属的量 ② 快速雾化成小的液滴 ③推进雾化液滴流越过一个小距离和短时间间隔与淬火基 体进行快速冲击，以释放出热量越过结晶与长大过程进而 快速凝固。
微晶模型
不连续 模型
连续 模型
聚集团模型等
连续无规则 网络模型
硬球无规则 密堆模型等
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7
2、非晶态合金制备工艺
• 非晶态材料制备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 ；
《非晶材料制备技术》课件
02
非晶材料的制备方法
气相沉积法
物理气相沉积法
利用物理方法（如真空蒸发、溅射等） 将材料气化，然后在基体上凝结形成非 晶态薄膜。
VS
化学气相沉积法
利用化学反应生成非晶态材料，通常在高 温下进行，可以制备连续的非晶带材。
液相急冷法
快淬法
将熔融状态的合金或化合物迅速冷却，通过 快速冷却抑制晶体形成，获得非晶态材料。
喷铸法
总结词
一种制备非晶合金薄片的方法
详细描述
喷铸法是一种制备非晶合金薄片的方法，通过将金属熔体以高速喷溅到冷却表面上，使 金属熔体在冷却过程中形成非晶态结构。这种方法可以获得具有优异性能的非晶合金薄
片材料。
甩带法
总结词
一种制备非晶合金丝材的方法
详细描述
甩带法是一种制备非晶合金丝材的方法，通 过将金属熔体甩到旋转的冷却轮上，使金属 熔体在快速冷却过程中形成非晶态结构。这 种方法可以获得具有优异性能的非晶合金丝
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感谢各位观看
粉末冶金法
总结词
通过将金属粉末进行烧结、熔炼、挤压等工艺，制备出 非晶复合材料。
详细描述
粉末冶金法是一种制备非晶复合材料的方法，通过将金 属粉末进行烧结、熔炼、挤压等工艺，制备出非晶复合 材料。该方法具有制备工艺灵活、可制备形状复杂的非 晶复合材料等优点，广泛应用于非晶复合材料的制备。
化学共沉淀法
应用价值
合金成分优化是非晶材料研究的重要方向，对于 推动非晶材料的应用具有重要意义。
表面处理技术
01 总结词
采用表面处理技术可以提高非 晶材料的表面质量和性能。
02
详细描述
非晶材料在应用过程中，其表 面质量对于性能的发挥至关重 要。表面处理技术如喷涂、电 镀、化学镀等可以有效改善非 晶材料的表面状态，提高其耐 磨、耐腐蚀等性能。
06高分子物理课件第五章非晶1
I II III IV
分子量升高转折温度不变，
表明在II区启动的结构单元 为链段
I区的运动单元必然小于链段
10 9 8
I
II
log G, Pa
7
III 6
5 IV 4 3
Temperature
III区为一段平台，呈橡胶的模量、橡胶 的力学状态，故称高弹平台
分子量越高，高弹平台越
长，交联聚合物平台无限 长。分子量降低至Mc，橡 胶平台长度降到零，表明 链段长度等于整链长度
第五章 聚合物的非晶态
Amorphous of Polymer
凝聚态(聚集态)与相态
凝聚态：物质的物理状态, 是根据物质的分子运动在宏观 力学性能上的表现来区分的, 通常包括固、液、气体 （态），称为物质三态 相态：物质的热力学状态，是根据物质的结构特征和热 力学性质来区分的，包括晶相、液相和气相（或态） 一般而言，气体为气相，液体为液相，但固体并不都是 晶相。如玻璃(固体、液相)
8,100 6,900 5,900 13,500 18,100
因结 晶速 度缓 慢来 不及 结晶 的聚 合物
常 温 时 为 高 弹 态
结 晶 聚 合 物 的 非 晶 区
高聚物的非晶 态涉及到玻璃 态、高弹态、 粘流态以及结 晶中的非晶部 分。
非晶态聚合物的结构模型
• 非晶态聚合物通常指完全不结晶的聚合物.包括玻璃体, 高弹体和熔体. • 从分子结构上讲, 非晶态聚合物包括:
实验证据（1）
• 这个模型中分子排列疏松且无序，运动较容易， 能很好地解释橡胶的弹性问题。而且实验证明， 橡胶的弹性模量与应力－温度系数的关系并不 随稀释剂的加入而有反常的变化，说明非晶态 的分子链聚集体中并不含可被分散剂破坏的有 序结构。
《非晶态结构与性质》课件
3 随机连接方式
原子或分子之间以随机方式连接形成非晶态结构。
非晶态材料的制备方法
快速凝固
通过迅速冷却高温熔融的材料来制备非晶态材料。
固态反应
通过固态反应制备非晶态材料，如溶胶-凝胶法等。
纳米材料合成
利用纳米材料的特殊性质合成非晶态材料。
非晶态材料的性质
高硬度
非晶态材料具有较高的硬度， 适用于耐磨、抗划伤的应用。
优异的韧性
非晶态材料表现出优异的韧 性，在冲击加载下具有良好 的抗碎裂能力。
低热导率
非晶态材料的低热导率使其 成为热障涂层、热电器件等 应用的理想选择。
非晶态材料的应用领域
电子器件
非晶态材料在电子器件中应用 广泛，如薄膜晶体管、存储器 件等。
医疗设备
非晶态材料在医疗设备领域具 有良好的生物相容性和机械性 能。
太阳能电池
非晶态聚合物材料可用于制备 高效、柔性的太阳能电池。
非晶态材料的前景和挑战
前景
非晶态材料在新型能源、光电子学等领域具 有广阔的应用前景。
挑战
非晶态材料的制备工艺和理论研究仍面临一 定的挑战，需要进一步深入研究。
总结
非晶态结构的定义、特征、制备方法、性质、应用领域以及前景和挑战都是非晶态材料领域中重要的研 究内容。
《非晶态结构与性质》 PPT课件
非晶态结构是指没有明确长程有序的结构，而是由无规则排是指材料中没有明确的、长程的周期性重复单元的结构。
非晶态结构的特征
1 无规则排列
原子或分子在非晶态材料中呈现无规则的排列方式。
2 无明确周期性
非晶态材料中没有明确的、长程的周期性重复单元。
原子或分子之间以随机方式连接形成非晶态结构。
非晶态材料的制备方法
快速凝固
通过迅速冷却高温熔融的材料来制备非晶态材料。
固态反应
通过固态反应制备非晶态材料，如溶胶-凝胶法等。
纳米材料合成
利用纳米材料的特殊性质合成非晶态材料。
非晶态材料的性质
高硬度
非晶态材料具有较高的硬度， 适用于耐磨、抗划伤的应用。
优异的韧性
非晶态材料表现出优异的韧 性，在冲击加载下具有良好 的抗碎裂能力。
低热导率
非晶态材料的低热导率使其 成为热障涂层、热电器件等 应用的理想选择。
非晶态材料的应用领域
电子器件
非晶态材料在电子器件中应用 广泛，如薄膜晶体管、存储器 件等。
医疗设备
非晶态材料在医疗设备领域具 有良好的生物相容性和机械性 能。
太阳能电池
非晶态聚合物材料可用于制备 高效、柔性的太阳能电池。
非晶态材料的前景和挑战
前景
非晶态材料在新型能源、光电子学等领域具 有广阔的应用前景。
挑战
非晶态材料的制备工艺和理论研究仍面临一 定的挑战，需要进一步深入研究。
总结
非晶态结构的定义、特征、制备方法、性质、应用领域以及前景和挑战都是非晶态材料领域中重要的研 究内容。
《非晶态结构与性质》 PPT课件
非晶态结构是指没有明确长程有序的结构，而是由无规则排是指材料中没有明确的、长程的周期性重复单元的结构。
非晶态结构的特征
1 无规则排列
原子或分子在非晶态材料中呈现无规则的排列方式。
2 无明确周期性
非晶态材料中没有明确的、长程的周期性重复单元。
《非晶材料制备技术》课件
非晶材料在生物医学领域的应用
1 人工关节
非晶材料可以用于制造耐 磨、生物相容性好的人工 关节。
2 医疗器械
非晶材料可以用于制造医 疗器械，如心脏支架和人 工耳蜗。
3 药物传递
非晶材料可以用作药物传 递系统的载体，提高药物 的稳定性和缓释性能。
非晶材料在机械制造领域的应用
航空航天
非晶材料在航空航天制造中应用 广泛，可提供轻量化和高强度的 零件。
非晶材料制备技术
非晶材料是一种具有非晶结构的材料，具有独特的性质和广泛的应用。本课 程将讲解非晶材料的制备技术以及其在不同领域的应用。
什么是非晶材料？
非晶材料是一种无序排列的原子结构，没有长程有序性。其特点包括高硬度、 高强度、高韧性、良好的耐腐蚀性等。
非晶材料的制备方法
1
气相沉积法
2
利能
一些非晶材料具有很好的导电性能，可以应用 于电子元件的制造。
防腐蚀性能
非晶材料具有良好的耐腐蚀性能，可用于制造 防护涂层和耐腐蚀结构。
非晶材料在电子领域的应用
电路板
非晶材料可以用于制造高密度的 电路板，提高电子设备的性能。
微芯片
非晶材料在微芯片制造中具有广 泛应用，可提供更高的集成度和 更快的速度。
面，形成非晶结构。
3
熔融淬火法
通过快速冷却熔融金属，使其形成无序 的非晶结构。
磁控溅射法
通过电弧加热金属，将金属离子喷射在 基底上并形成非晶结构。
非晶材料的性质和应用
力学性能
非晶材料具有卓越的强度和硬度，适用于制造 高强度零件和结构。
磁性能
一些非晶材料表现出优异的磁性能，可用于制 造磁性元件和传感器。
汽车制造
机器人组装线
第五章_非晶态合金制备技术
GFA
Tg
Tx
T1
(5-38)
因此，Lu定义一个新参数来表征GFA，即
2019/7/22
Tx Tg T1
材料成型及控制工程教研组
(5-39)
27
目前所发现的BMGs的临界冷却速度Rc及临界直径 值Dmax与其γ 值分别存在以下统计关系：
R c 5 .1 1 0 2 1e x p 1 1 7 .1 9 (5-40)
其中 n
n13
Ci ei13e13
i1
n
n C i e i i1
(5-18)
式中，ei是第i组元元素的价电子数。对于过渡族 金属，ei等于s电子与d电子之和；
对于含有p电子的元素，ei等于s电子与p电子之和。
2019/7/22
材料成型及控制工程教研组
21
n
L Ci xi x i 1
A
e
xp
k Vf
(5-6)
式中，A为常数：K为常数；Vf为自由体积。
x 1 IU 3t 4
3
(5-7)
均匀成核率与生长率可表示为
I3N vak0 3T exp1633Tr( 1Tr)2
(5-8)
fkT
U3a02
1expTTrr
下的熔化熵；T0为液相与晶体相平衡的温度；
C
1 p
s
为
等压比热容。
(t)
AexpKTSScc*
(5-5)
式中，A为与温度无关的频率因子； 为每个原子
的势垒高度；S
* c
为发生反应所需的临界构形熵；T
第5章 非晶态无机材料及其制备
度：离子晶体、原子晶体、金属晶体、分子晶体。 单晶颗粒大小：单晶、多晶、微晶、纳米晶。 单晶体：>0.5mm； （1）单晶与多晶 单晶：一个晶粒；多晶：多个晶粒。 多晶体：1m～0.5mm； 微晶体：重复几个到几十个周期；纳米晶：1nm～100nm
多晶的每个晶粒大小和形状不同，取向凌乱，没有明显 的外形，也不表现各向异性。晶粒：Grain，而非Particle。
二、形成非晶合金的合金化原则
1、不同金属或合金形成非晶的能力差别很大 有些纯金属形成非晶需要冷却速率大于1010K/s； 有些合金形成非晶的冷却速率可小于106K/s； 而对于Pd77.5Cu6Si16.5、Pd60Cu20P20、Pd56Ni24P20，
即使冷却速率低到102K/s也能形成毫米级的大块非晶。
3、非晶体及其特点 非晶体：与晶体对应，原子或分子无规则排列，无周期 性、无对称性的固体，如玻璃，非晶碳。一般，无定型就是 非晶，amorphous，或者glass(玻璃态)。 （1）非晶体的宏观特征 ① 只有玻璃转化温度，无熔点。 ② 没有规则的多面体几何外型，可以制成玻璃体，丝，薄 膜等特殊形态。 ③ 物理性质各向同性。
过冷度：实际结晶温度与熔点之差；ΔT= T0 - T1 ② 动态过冷度：结晶过程中，液-固界面前沿液态温度与熔 点之差。 ③ 影响过冷度的因素：冷却速度，金属的性质，金属的纯 度，其中冷却速度是主要因素，冷却速度↑，ΔT↑，实际结 晶温度T1↓。
2、乳化液滴法的原理 加大冷却速率的途径之一是加大过冷度，均质成核比 非均质成核需要更大的过冷度。 一般最大过冷度为金属熔点绝对温度的20%左右，利 用乳化液滴法可提高至30%～40%。 使液滴弥散分布在一种溶液中，对于高纯金属只有极 少液滴中有成核剂，因此可以造成很大的过冷度。 决定过冷度的主要因素之一是颗粒大小。
多晶的每个晶粒大小和形状不同，取向凌乱，没有明显 的外形，也不表现各向异性。晶粒：Grain，而非Particle。
二、形成非晶合金的合金化原则
1、不同金属或合金形成非晶的能力差别很大 有些纯金属形成非晶需要冷却速率大于1010K/s； 有些合金形成非晶的冷却速率可小于106K/s； 而对于Pd77.5Cu6Si16.5、Pd60Cu20P20、Pd56Ni24P20，
即使冷却速率低到102K/s也能形成毫米级的大块非晶。
3、非晶体及其特点 非晶体：与晶体对应，原子或分子无规则排列，无周期 性、无对称性的固体，如玻璃，非晶碳。一般，无定型就是 非晶，amorphous，或者glass(玻璃态)。 （1）非晶体的宏观特征 ① 只有玻璃转化温度，无熔点。 ② 没有规则的多面体几何外型，可以制成玻璃体，丝，薄 膜等特殊形态。 ③ 物理性质各向同性。
过冷度：实际结晶温度与熔点之差；ΔT= T0 - T1 ② 动态过冷度：结晶过程中，液-固界面前沿液态温度与熔 点之差。 ③ 影响过冷度的因素：冷却速度，金属的性质，金属的纯 度，其中冷却速度是主要因素，冷却速度↑，ΔT↑，实际结 晶温度T1↓。
2、乳化液滴法的原理 加大冷却速率的途径之一是加大过冷度，均质成核比 非均质成核需要更大的过冷度。 一般最大过冷度为金属熔点绝对温度的20%左右，利 用乳化液滴法可提高至30%～40%。 使液滴弥散分布在一种溶液中，对于高纯金属只有极 少液滴中有成核剂，因此可以造成很大的过冷度。 决定过冷度的主要因素之一是颗粒大小。
第五章 非晶态合金制备技术
5
图5-3 晶体与非晶体在变形机理上的区别
图5-3示出了了晶体与非晶体在变形机理上的区别，晶体在受到剪切应力作 用时，以位错为媒介在特定精棉上移动；而非晶体中原子排列是无序的， 有很高的自由体积，在剪切应力作用下，可重新排列成另一稳定的组态， 因而是整体屈服而不是晶体中的局部屈服。
表5-1 铝基非晶合金和其他合金的抗拉强度、 比强度
第5章 非晶态合金制备技术
• 非晶态合金是指固态合金中原子的三维空间呈拓扑无序排列，并 在一定温度范围内保持这种状态相对稳定的合金。 • 在微观结构上，它具有液体的无序原子结构，就像是一种非常粘 稠的液体；在宏观上它又具有固体的刚性。和其他非晶态物质一样， 非晶态合金是一种亚稳态材料。由于体系的自由能比相应的晶态要高， 在适当的条件下，会发生结构转变而想稳定的晶态过渡。非晶态合金 材料与晶态合金材料相比有两个基本的区别，就是原子排列不具有周 期性，且属于热力学的亚稳相。非晶态材料在性能上与晶态材料相比 具有很高的强度、硬度、韧性、耐磨性、耐蚀性及优良的软磁性、超 导性、低磁损耗等特点。 • 非晶态合金又称为“金属玻璃”，非晶合金是短程有序、长程无 序的，也就是说它只有在一定的大小范围内，原子才形成一定的几何 图形排列，近邻的原子间距、键长才具有一定的规律性。
12
* G 0 I N D exp kT
(5-1) 式中， 为单位体积的单原子数目；v为频率因 子；k为 Boltzmann 常数；T为绝对温度；D为有效扩 G* 散系数； 为晶胚必须克服的激活能；I为形核率。 2 根据经典形核理论，形核功表达式为 16 G1 s * G 3 3 (5-2)
1
5.1.1 非晶态的形成
液态金属冷却的过程中在低于理论熔点的温度将产生凝固结晶，这个过程可分为 形核和长大两个基本阶段。随着温度的降低，结晶开始和终了的时间与温度的关系可 以用一个C曲线来表示，如图5-1所示。由图可知，如果液态金属以高于图中的临界冷 却速率冷却时，以完全阻止晶体的形成，从而把液态金属“冻结”到低温，形成非晶 态的固体金属。从理论上说。任何液体 都可以通过快速冷却获得非晶态固体材料。 但是对于纯金属而言，其最短时间约为 10-6s，这意味着纯金属必须以大约 1010K/s的速率冷却时才可能获得非晶态。 对于合金而言，获得非晶态的临界冷速与 合金的成分、合金中原子间的键合特性、 电子结构、组元的原子差异以及相应的晶 态相的结构等因素有关，为获得非晶态金 属合金主要有以下两种途径： ①研究具有低的临界冷却速率的合金系统， 以便得到形成非晶态的较为便利的条件； ②发展快速冷却的技术，以满足获得非晶 态金属的技术需要。
第5章 非晶态材料的制备
2017/11/14/22 :11:01
26
非晶态固体制备
非晶态固体与晶态固体相比，从微观结构讲有序 性低；从热力学讲，自由能要高，是一种亚稳态。基 于这样的特点，制备非晶态固体必须解决下述 2个问 题： （1）必须形成原子或分子混乱排列的状态； （2）必须将这种热力学上的亚稳态在一定的温度 范围内保存下来，使之不向晶态转变。
拓扑无序模型有多种堆积形式， 其中主要的有无序密堆胶球模型 和随机网络模型。在无序密堆硬 球模型中，把原子看作不可压缩 的硬球，“无序”是指在这种堆 积中不存在晶格那样的长程有序， “密堆”则是指在这样一种排列 中不存在可以容纳另一个硬球那 样大的间隙。
24
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非晶态固体的结构 — 拓扑无序模型
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19
非晶态固体的形成规律
第二类是准金属元素和金属元素的组合，金
属元素则主要是过渡元素和贵金属元素，例如形 成Pd-Si、Co-P、Fe-C等非晶态材料。 第三类是金属元素和金属元素的组合，前者 是 ⅡA 、 ⅡB 、 ⅢB 、 ⅣB 金属，后者是贵金属和
稀土金属，它们形成诸如 Gd-Co 、 Nb-Ni 、 Zr-Pd 、
2017/11/14/22 :11:01
2
非晶态材料的基本概念和基本性质
晶体和非晶体的根本区别
晶态材料具有长程有序的点阵结构，其组成原 子或基元处于一定格式空间排列的状态； 非晶态材料则象液体那样，只有在几个原子间 距量级的短程范围内具有原子有序的状态。(短 程有序)
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5
非晶态材料的基本概念和基本性质
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液体在急冷过程中形成非晶体。在这一过程中，原子没 有足够的时间发生重排，因此形成的晶体中原子的排列 呈无序状态。
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33
非晶态材料的基本概念和基本性质
晶体和非晶体的根本区别
晶态材料具有长程有序的点阵结构，其组成原 子或基元处于一定格式空间排列的状态；
非晶态材料则象液体那样，只有在几个原子间 距量级的短程范围内具有原子有序的状态。(短 程有序)
非晶态固体的形成问题，实质上是物质在冷 凝过程中如何不转变为晶体的问题。
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1111
非晶态材料的形成规律、结构模型
热力学规律 动力学规律 结构化学规律
非晶态的形成及稳定性 非晶态材料的结构模型
PPT课件
1122
非晶态固体的形成规律
（1）热力学规律 我们知道，制备非晶态固体就是防止结晶的过程。从
非晶态固体的形成规律
定义玻璃化温度Tg为粘度相当于1013泊时的温度，这时位形 熵最小，几乎为零。因此只有当熔体冷却温度值低于玻璃
化温度时，非晶态才趋于稳定。为防止结晶发生，一般要
求熔体的过冷度ΔT（=Tm－Tg, Tm为热力学熔点，即粘度接 近于零时的温度）要小。实践上，经常将无机化合物的Tg, 作纵坐标、Tm作横坐标，对画成一直线，直线Tg/Tm=2/3， 形成非晶态的冷却速度相当于102℃/sec，如用此冷凝速度， 在直线上方的物质容易形成非晶态，在直线下方的物质则
在非晶体中，不存在晶粒和晶界，不具有长程 有序。
PPT课件
55
非晶态材料的基本概念和基本性质
非晶态的基本定义
非晶态固体中的无序并不是绝对的“混乱”，而是 破坏了有序系统的某些对称性，形成了一种有缺陷、不 完整的短程有序。
一般认为，组成物质的原子、分子的空间排列不呈 周期性和平移对称性，晶态的长程有序受到破坏，只有 由于原子间的相互关联作用，使其在小于几个原子间距 的小区间内(1～1.5nm)，仍然保持形貌和组分的某些有 序特征而具有短程有序，这样一类特殊的物质状态统称 非晶态。
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99
非晶态材料的性质
高强度、高韧性
抗腐蚀性
软磁特性－磁导率和饱和磁感应强度高，矫顽 力和损耗低。
超导电性－一般较低，但延展性较好
非晶半导体光学性质
其他性质
自己阅读
PPT课件
1100
5.1非晶态材料的形成理论
非晶态固体在热力学上属于亚稳态，其只有 能比相应的晶体高，在一定条件下，有转变 成晶体的可能。
(3)当温度连续升高时，在某个很窄的温区内，会发生明显的结 构相变，是一种亚稳态材料。
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77
几种技术比较成熟的非晶态材料
非晶态合金
迄今发现的能形成非晶态的合金有数百种，目前研究较多、有一
定使用价值的合金有三大类：
(1) 后过渡的金属－类金属TL－M系
(2) TE－TL系
(3) IIA族金属的二元或多元合金
难以形成非晶态；若Tg/Tm=1/2，则要使该直线上方的物质 形成非晶态，冷却速度要不小于103~105℃/sec。
PPT课件
1144
非晶态固体的形成规律 此外，还有采用玻璃化温度与物质的升华焓变
ΔHm的经验公式来判断合金形成玻璃能力的参数： ΔTo/To液= （To液－T液）/ To液
式中T液为液相温度，To液为理想溶液的液相温度， 可表示为
非晶态半导体材料 （Si、Ge以及部分硫化物）
非晶态超导体 （非晶合金）
非晶态高分子材料
非晶体玻璃
自己阅读p62
PPT课件
88
几种技术比较成熟的非晶态材料
非晶态合金(金属玻璃) 非晶态合金具有金属和玻璃的特征。
非晶态合金的主要成分是金属元素，因此属于金属合金；
非晶态合金又是无定型材料，与玻璃相类似，因此称为 金属玻 璃。但是，金属玻璃和一般的氧化物玻璃毕竟是两码事，它既不 像玻璃那样脆，又不像玻璃那样透明，事实上，金属玻璃具有光 泽，可以弯曲，外观上和普通的金属材料没有任何区别。非晶态 的金属玻璃材料中原子的排列是杂乱的，这种杂乱的原于排列赋 予了它一系列全新的特性。
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66
非晶态材料的基本概念和基本性质
非晶态材料微观结构基本特征
(1)只存在小区间内的短程有序。在近邻和次近邻原子间的键合 (如配位数、原子间距、键角、键长等)具有一定的规律性， 而没有任何长程有序；
(2)它的衍射花样是由较宽的晕和弥散的环组成，没有表征结晶 态的任何斑点和条纹，用电镜看不到晶粒、晶界、晶格缺陷 等形成的衍衬反差；
热力学来看，物质所处状态的稳定性，决定于热力学位能， 而对于晶态和非晶态之间的变化，影响热力学位能的主要 因素是混乱的变化引起的熵变。由于非晶态的混乱度大于 晶态，其自由能也就较高，因而非晶态属于亚稳定态。对 于非晶态，从固态到液态，一般没有明显的熔化温度，存 在一个玻璃化温度Tg。
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1133
材料合成与制备
李亚伟 赵雷 无机非金属材料系
PPT课件
1
第5章 非晶态材料的制备
Non-crystalline Materials Synthesis
PPT课件
22
5.1非晶态材料的基本概念和基本性质
固体材料可以按照其中原子的排列的有序程度分为晶态 和非晶态两大类。
液体在缓慢降温过程中形成晶体。在这一过程中，原 子有足够的时间发生重排，因此形成的晶体中原子的排 列呈有序状态。
To液= (ΔHfA ·TAm)/（ΔHfA－Rln (1-X) TAm） 式中ΔHfA 、TAm分别为溶剂的熔化焓和熔点，X为 溶质的摩尔分数，这个值越大越易形成玻璃态。
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1155
非晶态固体的形成规律
（2）动力学规律 最早对比例形成进行研究的是塔曼（Tamman），他认
为玻璃形成时，由于过冷液体成核速率最大时的温度低于晶 体生长速率最大时的温度。而后发展了动力学理论。
一般说，如果Iv和U分别表示均匀结晶过程的成核速率和 晶体生长速率，那么，单位时间t内结晶的体积率表示为：
质
固体材料可分成几个层次：
在完美的单晶体中，原子在整块材料中的排列 都是规则有序的；
在多晶体和微晶体中，只有在晶粒内部，原子 的排列才是有序的，而多晶体中的晶粒尺寸通 常部比微晶体中的更大一些，经过腐蚀后，用 一般的金相显微镜甚至用肉眼都可以看出晶粒 和晶界；
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非晶态材料的基本概念和基本性质
晶体和非晶体的根本区别
晶态材料具有长程有序的点阵结构，其组成原 子或基元处于一定格式空间排列的状态；
非晶态材料则象液体那样，只有在几个原子间 距量级的短程范围内具有原子有序的状态。(短 程有序)
非晶态固体的形成问题，实质上是物质在冷 凝过程中如何不转变为晶体的问题。
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非晶态材料的形成规律、结构模型
热力学规律 动力学规律 结构化学规律
非晶态的形成及稳定性 非晶态材料的结构模型
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非晶态固体的形成规律
（1）热力学规律 我们知道，制备非晶态固体就是防止结晶的过程。从
非晶态固体的形成规律
定义玻璃化温度Tg为粘度相当于1013泊时的温度，这时位形 熵最小，几乎为零。因此只有当熔体冷却温度值低于玻璃
化温度时，非晶态才趋于稳定。为防止结晶发生，一般要
求熔体的过冷度ΔT（=Tm－Tg, Tm为热力学熔点，即粘度接 近于零时的温度）要小。实践上，经常将无机化合物的Tg, 作纵坐标、Tm作横坐标，对画成一直线，直线Tg/Tm=2/3， 形成非晶态的冷却速度相当于102℃/sec，如用此冷凝速度， 在直线上方的物质容易形成非晶态，在直线下方的物质则
在非晶体中，不存在晶粒和晶界，不具有长程 有序。
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非晶态材料的基本概念和基本性质
非晶态的基本定义
非晶态固体中的无序并不是绝对的“混乱”，而是 破坏了有序系统的某些对称性，形成了一种有缺陷、不 完整的短程有序。
一般认为，组成物质的原子、分子的空间排列不呈 周期性和平移对称性，晶态的长程有序受到破坏，只有 由于原子间的相互关联作用，使其在小于几个原子间距 的小区间内(1～1.5nm)，仍然保持形貌和组分的某些有 序特征而具有短程有序，这样一类特殊的物质状态统称 非晶态。
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非晶态材料的性质
高强度、高韧性
抗腐蚀性
软磁特性－磁导率和饱和磁感应强度高，矫顽 力和损耗低。
超导电性－一般较低，但延展性较好
非晶半导体光学性质
其他性质
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5.1非晶态材料的形成理论
非晶态固体在热力学上属于亚稳态，其只有 能比相应的晶体高，在一定条件下，有转变 成晶体的可能。
(3)当温度连续升高时，在某个很窄的温区内，会发生明显的结 构相变，是一种亚稳态材料。
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几种技术比较成熟的非晶态材料
非晶态合金
迄今发现的能形成非晶态的合金有数百种，目前研究较多、有一
定使用价值的合金有三大类：
(1) 后过渡的金属－类金属TL－M系
(2) TE－TL系
(3) IIA族金属的二元或多元合金
难以形成非晶态；若Tg/Tm=1/2，则要使该直线上方的物质 形成非晶态，冷却速度要不小于103~105℃/sec。
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非晶态固体的形成规律 此外，还有采用玻璃化温度与物质的升华焓变
ΔHm的经验公式来判断合金形成玻璃能力的参数： ΔTo/To液= （To液－T液）/ To液
式中T液为液相温度，To液为理想溶液的液相温度， 可表示为
非晶态半导体材料 （Si、Ge以及部分硫化物）
非晶态超导体 （非晶合金）
非晶态高分子材料
非晶体玻璃
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几种技术比较成熟的非晶态材料
非晶态合金(金属玻璃) 非晶态合金具有金属和玻璃的特征。
非晶态合金的主要成分是金属元素，因此属于金属合金；
非晶态合金又是无定型材料，与玻璃相类似，因此称为 金属玻 璃。但是，金属玻璃和一般的氧化物玻璃毕竟是两码事，它既不 像玻璃那样脆，又不像玻璃那样透明，事实上，金属玻璃具有光 泽，可以弯曲，外观上和普通的金属材料没有任何区别。非晶态 的金属玻璃材料中原子的排列是杂乱的，这种杂乱的原于排列赋 予了它一系列全新的特性。
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非晶态材料的基本概念和基本性质
非晶态材料微观结构基本特征
(1)只存在小区间内的短程有序。在近邻和次近邻原子间的键合 (如配位数、原子间距、键角、键长等)具有一定的规律性， 而没有任何长程有序；
(2)它的衍射花样是由较宽的晕和弥散的环组成，没有表征结晶 态的任何斑点和条纹，用电镜看不到晶粒、晶界、晶格缺陷 等形成的衍衬反差；
热力学来看，物质所处状态的稳定性，决定于热力学位能， 而对于晶态和非晶态之间的变化，影响热力学位能的主要 因素是混乱的变化引起的熵变。由于非晶态的混乱度大于 晶态，其自由能也就较高，因而非晶态属于亚稳定态。对 于非晶态，从固态到液态，一般没有明显的熔化温度，存 在一个玻璃化温度Tg。
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材料合成与制备
李亚伟 赵雷 无机非金属材料系
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第5章 非晶态材料的制备
Non-crystalline Materials Synthesis
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22
5.1非晶态材料的基本概念和基本性质
固体材料可以按照其中原子的排列的有序程度分为晶态 和非晶态两大类。
液体在缓慢降温过程中形成晶体。在这一过程中，原 子有足够的时间发生重排，因此形成的晶体中原子的排 列呈有序状态。
To液= (ΔHfA ·TAm)/（ΔHfA－Rln (1-X) TAm） 式中ΔHfA 、TAm分别为溶剂的熔化焓和熔点，X为 溶质的摩尔分数，这个值越大越易形成玻璃态。
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非晶态固体的形成规律
（2）动力学规律 最早对比例形成进行研究的是塔曼（Tamman），他认
为玻璃形成时，由于过冷液体成核速率最大时的温度低于晶 体生长速率最大时的温度。而后发展了动力学理论。
一般说，如果Iv和U分别表示均匀结晶过程的成核速率和 晶体生长速率，那么，单位时间t内结晶的体积率表示为：
质
固体材料可分成几个层次：
在完美的单晶体中，原子在整块材料中的排列 都是规则有序的；
在多晶体和微晶体中，只有在晶粒内部，原子 的排列才是有序的，而多晶体中的晶粒尺寸通 常部比微晶体中的更大一些，经过腐蚀后，用 一般的金相显微镜甚至用肉眼都可以看出晶粒 和晶界；