第6讲 非晶态合金
非晶态合金
非晶态合金 Amorphous Alloys
非晶态合金的结构
概述，晶体与非晶 材料结构研究方法：散射法
光子：微波、红外、可见光、紫外线、X射线、γ 射线 电子
中子：冷中子、热中子、超热中子
非晶态合金的结构
双体分布函数
g (r )
原子分布函数
(r ) 0
双体分布函数
J (r ) 0 g (r ) 4r 2
非晶态合金的性能及应用
力学性能：强度远超晶态的高强度钢 软磁特性：无各向异性，磁导率、饱和磁感 应强度高；矫顽力低、损耗小 耐蚀性能：比不锈钢好的多 其他性能及应用
复杂的电阻-温度关系 催化特性
超导电性（见教材表6-7，P68）
各种散射实验方法
晶体和非晶原子排列
气体、固体、液体的原子分布函数
气体、固体、液体的原子分布函数
非晶态合金结构模型
微晶模型：非晶态材料是由“晶粒”非常细小的 微晶粒组成 拓扑无序模型
无序密堆硬球模型：贝尔纳多面体 随机网络模型
非晶态材料的制备
形成非晶态的条件
结构判据 动力学判据 C曲线（TTT图）及连续冷却图(CCT图)
非晶态合金材料的制备及应用
非晶态合金材料的制备及应用随着科技的不断发展，人们对材料的需求也越来越高，尤其是在新能源、高速交通、电子信息等领域，对材料性能的要求更是严苛。
非晶态合金材料作为一种新材料，其具有优异的物理性能、化学性能、机械性能以及独特的制备工艺，在现代工程领域得到了广泛的应用。
本文将深入探讨非晶态合金材料的制备及应用。
一、非晶态合金材料的概念非晶态合金材料（Amorphous metal）是指在快速冷却过程中自发形成无定形结晶状态（非晶态）的金属合金材料。
它是一种为获得非晶态而制备的合金材料，由于材料的玻璃状无定形结构，具有许多传统合金所不具备的优秀机械性能、防腐性能、磁性能等。
二、非晶态合金材料的制备方法目前，非晶态合金材料的制备方法主要有四种：快速凝固法、溅射法、电化学合成法和机械法。
1、快速凝固法快速凝固法是指将高温熔融状态的合金，以极快的速度（几千℃/s）冷却固化，使其形成非晶态的制备方法。
常用的快速凝固方法有液滴冷却法、快速旋转法、单辊震荡法、直流磁控溅射法等。
2、溅射法溅射法是指在真空或惰性气体氛围下，将靶材表面原子部分蒸发后沉积在基板上形成薄膜的制备方法。
溅射合金材料大多是非晶态的。
溅射法制备的非晶态合金材料具有制备工艺简单、制备速度快等优点。
3、电化学合成法电化学合成是将金属阳极和对应离子溶液中的阴极通过外电路连接在一起，在电解的过程中通过氧化还原反应，将阳极上的金属元素离子还原并沉积在阴极表面，形成非晶态合金薄膜的制备方法。
4、机械法机械法是指通过机械能量改变材料的结构形态，制备非晶态合金材料的制备方法。
机械法制备的非晶态合金材料具有制备易度高、无需真空高温、不易受到氧化损害等优点。
三、非晶态合金材料的应用领域1、新能源领域非晶态合金材料在新能源领域中具有广泛应用。
比如，用非晶态合金材料代替传统铜线制造变压器，能够大大提高能源利用率和变压器的性能；将非晶态合金材料与锂离子电池等新型蓄电池的电极材料组合在一起，能够大幅提升其能量密度和循环寿命等性能；非晶态合金材料也是太阳能电池制造材料的新方向。
第6讲 非晶态合金
径向分布函数
J(r)Ng(r)4r2
V
其中N／V为原子的密度。
功能材料
重庆交通大学
根据g(r)-r曲线，可求得两个重要参数：配位数和原于间 距。
从图中可以看出，非晶态的图形与液态很相似但略有不 同，而和完全无序的气态及有序的晶态有明显的区别。
这说明非晶态在结构上与液体相似，原子排列是短程有 序的；从总体结构上看是长程无序的，宏观上可将其看作 均匀、各向同性的。
历史上有关非晶合金的第一个报导是克拉模在1934 年用蒸发沉积制得的。
1947年，布伦列等人用电解和化学沉积获得了Ni-P 和Co-P的非晶薄膜，发现其有高硬度、耐腐蚀特性， 可用作金属表面的防护涂层，这是非晶材料最早的 工业应用，但并末引起广泛注意。
功能材料
重庆交通大学
1958年，安德森提出：当晶格无序度超过一定临界 标准后，固体中的电子扩散将会消失。
功能材料
重庆交通大学
1965年，马德和诺维克在真空沉积的Co-Au合金薄 膜中发现了非晶的铁磁性。
1970年，杜威兹等用喷枪法将70%Au-30%Si液态金 属高速急冷制成非晶合金，这种方法使工业化大规 模生产非晶合金成为可能。
1973年，美国生产出具有很好导磁和耐蚀性能的非 晶铁基合金薄带，非晶合金的研究和应用受到世界 各国广泛的重视。
功能材料
重庆交通大学
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。从这个角度出发，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。
微晶模型认为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。
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)符合得并不理想。
非晶态合金的形成条件与制备方法
非晶态合金的形成条件与制备方法非晶态合金是一种特殊的材料，其具有非晶态结构和特殊的性能。
它的形成条件和制备方法是研究这一材料的重要内容。
一、形成条件非晶态合金的形成需要满足一定的条件，主要包括以下几个方面：1. 快速凝固条件：非晶态合金的形成需要在非常短的时间内将液态合金快速冷却到玻璃转变温度以下，使其无法发生晶化。
因此，需要使用特殊的快速凝固技术，如快速凝固法、溅射法、等离子体法等。
2. 成分设计：合金的成分对非晶态结构的形成起着重要作用。
一般来说，非晶态合金的成分应具有高浓度的合金元素，以增加原子间的相互作用，阻碍晶体的长程有序排列。
3. 合金元素选择：合金元素的选择也是形成非晶态合金的关键。
一般来说，合金元素应具有较大的原子半径不匹配度，以增加原子间的扭曲和不规则性，从而阻碍晶体的形成。
4. 冷却速度控制：非晶态合金的形成需要控制合金的冷却速度。
通常情况下，冷却速度越快，非晶态合金的形成越容易。
因此，需要采用合适的冷却方式和工艺参数，如快速冷却、淬火等。
二、制备方法非晶态合金的制备方法有多种，常用的方法包括以下几种：1. 快速凝固法：这是最常用的制备非晶态合金的方法之一。
该方法通过将合金液体迅速冷却，使其在非晶态温度范围内快速凝固。
常用的快速凝固方法包括冷轧、快速淬火、溅射等。
2. 溅射法：该方法是将合金靶材溅射到基底上，形成薄膜或涂层。
溅射过程中，由于原子的高能量状态和相互碰撞，可以使合金在非晶态条件下形成。
这种方法可以制备非晶态合金薄膜或涂层，具有广泛的应用前景。
3. 熔体淬火法：该方法是将合金加热到液态状态，然后迅速冷却至非晶态转变温度以下。
通过控制冷却速度和温度梯度，可以制备出非晶态合金。
这种方法适用于大块非晶态合金的制备。
4. 等离子体法：该方法是利用等离子体的高温和高能量特性，将合金加热到液态状态，然后迅速冷却。
等离子体法可以制备出高质量的非晶态合金，具有较好的工艺可控性和成品质量。
非晶态合金整理
非晶态合金整理非晶态是物质的一种结构状态, 它是相对于晶态而言的。
晶态是原子的有序排列, 而非晶态是一种长程无序、短程有序的结构。
由于超急冷凝固，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，称之为非晶态合金，也称为金属玻璃，外观与金属晶体没有区别，密度仅略低于相同成分的金属晶体，表明二者的原子间距离相似。
非晶态合金原子排列既不具备晶态物质那种长程有序性，又不像气体中的原子那样混乱无序，而是在每个原子周围零点几纳米内，最近邻原子数及化学键的键长、键角与晶态固体相似。
非晶态合金原子在三维空间呈现拓扑无序排列, 它具有以下2个特点。
(1) 在非晶态合金中, 金属的原子排列是无序的, 不存在结晶金属所具有的晶界、缺陷、偏析和析出物等, 与晶体不同, 它具有各向同性的特点。
(2) 非晶态合金不受化合价的限制, 在一定范围内可以自由调节其组成。
因此, 它具有许多晶体所不具有的优异特性, 如高透磁率和超导性、耐放射线特性、催化特性、高耐蚀性、高强度和高耐磨性等。
早在1911 年, G. T. Beilby 等人从理论上预测: 由熔体急冷方法可以制成非晶态合金。
1930 年, 人们用电化学的方法制备出了N-i S 非晶态合金。
1957 年,A. Brenner 又用电镀法制成了非晶态N-i P 及Co-P 合金。
1958年,Arderson 发表了开创性的论文, 首先提出了“扩散在一定的无规点阵中消失”的观点。
同年, 有关非晶态固体的第一次国际会议召开。
随后, 1959 年就开始有了关于化学镀N-i Co-P 非晶态合金的报道。
1960年，P.Duwez将熔融的Au-Si合金喷射到冷的铜板上，以大约每秒一百万度以上的降温速度快速冷却，使液态合金来不及结晶就凝固，首次获得非晶态合金。
从此, 非晶态物理与材料的研究发展作为材料科学的一个重要分支成为了一门新兴的科学。
非晶态合金(Amorphous_Alloys)
Pd-Cu-Ni-P
Pd-Ni-Fe-P
Pd-Cu-B-Si
Ti-Ni-Cu-Sn
Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si,Ge)
Fe-(Nb,Mo)-(Al,Ga)-(P,B,Si)
Co-(Al,Ga)-(P,B,Si)
化学成分：组元间电负性与原子尺寸相差越大(10%~ 20%), 越容易形成非晶态。因而过度族金属或贵金属 与类金属 (B、C、N、Si、P)、稀土金属与过度族金属、后 过度族金属与前过度族金属组成的合金易于形成非晶.
Al-Y-M合金 非晶形成的成
分范围
Al-Y相图
熔点和玻璃化温度之差T ： T =Tm-Tg ，T越小， 形成非晶倾向越大。 因而，成分位于共晶 点附近的合金易于形 成非晶.
非晶态
晶 体 与 非 晶 体 的 结 构
晶体与非晶体的
结构
非
晶
体
晶 体
Computer simulation of the disordered atomic structure of a three-component metallic glass
从液态金属冷却凝固过程中粘度和体积的变化见，当
非晶中的切变带
含有晶相的复相组织
三、非晶态合金的结构
非晶态合金的结构与液态金属结构相似，原子排列没
有长程的对称性和周期性，这已为X衍射实验所证实,
非晶体在透射电镜下的
衍射花样由较宽的晕和
弥散环组成。在非晶态
合金中，没有晶界、位
错等晶态合金所特有的
晶格缺陷。
非晶合金衍射花样
第6章 非晶合金
3T曲线转折的原因
ΔT太小时，析晶推动力小，析晶时间长；当 ΔT太大时，熔体η大，原子迁移速率低，析晶 困难，需要很长时间。所以3T图呈现如图所 示的这种形状，曲线右边是析晶区域，曲线左 边是形成玻璃区域。 临界冷却速度越大，越难形成玻璃，而析晶容 易。
思考题：判别不同物质形成玻璃能力 大小。
非晶的长程无序
径向分布函数是用来表征非晶态金属结构的。在非晶态金属中存在 短程有序，有一定的最近邻和次近邻配位层，在径向分布函数中有明显 的第一峰和第二峰。由于非晶态金属中不存在长程有序，所以在径向分 布函数中第三近邻以后没有可分辨出的峰。
图 3 补充：径向分布函数通常指的是给定某个粒子的坐标，其他粒子在空间的分布几率 （离给定粒子多远）。所以径向分布函数既可以用来研究物质的有序性，也可以用来 描述电子的相关性。
制备非晶态固体就是防止结晶的过程。 从热力学来看，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，换言之，非 晶态属于亚稳定态。
非晶的形态学
图 2
在降温过程中，气态原子 在沸腾温度Tb凝结为液态， 在冷却过程中液体的体积 以连续的方式减小,光滑的 V(T)曲线的斜率为液体的 热膨胀系数。当温度低到 熔点Tf时，发生液体到固 体的转变(液态氦除外)， 固体的特征之一为斜率较 小的V(T)曲线，液体到晶 体的转变可由晶体体积的 突然收缩和V(T)曲线上的 不连续性来标明。
（3）中子辐照法 1．液态快冷 (1)熔液急冷法 （4）离子注入法 (2)雾化法 （5）离子混合法 (3)激光熔凝法 5.化学 2. 纯熔液大过冷 (1)氢化法 (1)乳化液滴法 (2)电沉积法 (2)熔剂法 (3)落管法 (3)化学镀法 3.物理和化学气相沉积 6.机械 (1)蒸发法 (1)高能球磨法 (2)溅射法 (2)机械合金法 (3)激光化学气相沉积法 (4)等离子体激发化学气相沉积法7.反应 4. 辐照 （1）固态反应法 (1)离子轰击法 （2）固溶体分解法 (2)电子轰击法 8.高压
非晶态合金
通过蒸发、溅射、电解等方法使金属原子凝聚或沉 积而成。
四、非晶态金属的制备
非晶态合金
非晶态金属合金的电沉积有两大优点 : 首先从实 用的角度，这些合全都具有较高的机械强度和硬 度，优异的磁性能，较好的耐腐蚀能力和电催化 活性。
二层含义： 成分均匀性。 在非晶态金属形成过程中， 无晶体那样的异相、析出物、偏析以及其他成分起伏
（3）热力学不稳定性 体系自由能较高，有转变为晶态的倾向
三、非晶态金属的结构特点 2、非晶态金属结构模型
非晶态合金
（1）微晶模型
认为非晶态材料是由“晶粒”非常细小的微晶粒组成。 微晶模型用于描述非晶态结构中原子排列情况还存在 许多问题，使人们逐渐对其持否定态度。
7.2 非晶态结构模型
四、非晶态金属的制备
非晶态合金
1、非晶态的形成条件
原则上，所有金属熔体都可以通过急冷制成非晶 体。也就是说，只要冷却速度足够快．使熔体中原 子来不及作规则排列就完成凝固过程，即可形成非 晶态金属。
制备非晶态材料必须解决两个关键问题：
一是必须形成原子（或分子）混乱排列的状态
二是将这种热力学上的亚稳态在一定温度范围 内保存下来，使之不向晶态转变
（2）原子尺寸差别 原子尺度增加则非晶态合金形成倾向和稳定性增加
五、非晶态金属性能特点及应用
非晶态合金
1、力学性能
非晶态合金的硬度、强度、韧性和耐磨性明显高于普 通钢铁材料。铁基和镍基非晶态金属的抗张强度可达 4000MPa 左右，镍基的非晶也可达到 3500MPa 左右，都 比晶态钢丝材料高。非晶态合金的延伸率一般较低， 但其韧性很好，压缩变形时，压缩率可达 40％，轧制 压率可达 50％以上而不产生裂纹；弯曲时可以弯至很 小曲率半径而不折断。
非晶合金_精品文档
1. 成核速率
IV
I H0 V
IVHE
均相成核速率：
I H0 V
NV0
exp
1.229 Tr2Tr3
杂质引起的成核速率：
IVHE
AV NS0
exp
1.229 Tr2Tr3
f
2. 晶体生长速率
f
a0
1
exp
H fM Tr RTΒιβλιοθήκη f为界面上生长点与总质点之比
ΔHfM为摩尔分子熔化热
❖ 长程有序和短程有序
晶体：长程、短程均有序； 非晶体：长程无序，短程有序
❖ 单晶体、多晶体、微晶体和非晶体
按照晶粒的大小，固体的层次：单晶体（雪花）、 多晶体（金属，晶体内部有序）、微晶体（小晶体）、 纳米晶体和非晶体。晶体有熔点，非晶态无熔点， 是一个范围。
❖ 非晶态的定义
非晶态材料，顾名思义，就是指非结晶状态的材 料。它是对高温熔液以每秒10万摄氏度的超急冷方法 使其凝固因而来不及结晶而形成的，这时在材料内部 原子作不规则排列，因而产生了晶态材料所没有的性 能。无序，是象液体一样，互相积压，互相靠近，而 不是体心、面心之类。
形象描述： 什么是非晶态材料？ 固态的液体！ 冻着的液体！
❖ 非晶固体的原子类似液体原子的排列状态，但它与液体 又有不同：
✓ 液体分子很易滑动，粘滞系数很小；非晶固体分子 是不能滑动的，粘滞系数约为液体的1014倍，它具有 很大的刚性与固定形状。
✓ 液体原子随机排列，除局部结构起伏外，几乎是完 全无序混乱；非晶排列无序并不是完全混乱，而是 破坏了长程有序的周期性和平移对称性，形成一种 有缺陷的、不完整的有序，即最近邻或局域短程有 序（在小于几个原子间距的区间内保持着位形和组 分的某些有序特征）。
非晶态合金的制备与性能研究
非晶态合金的制备与性能研究随着科技的进步和发展，人们对于材料的要求越来越高，尤其是在研究新型材料方面。
作为材料研究领域中的热门话题，非晶态合金的制备与性能研究备受关注。
一、什么是非晶态合金？相信大家都知道晶体是由原子或分子在空间有序排列形成的，而非晶态合金则是指原子或分子在空间无序排列形成的一种材料。
也就是说，非晶态合金是由无规则排列的原子通过快速淬火和其他制备方法得到的。
二、非晶态合金的制备方法目前，常见的非晶态合金制备方法包括快速淬火、固态反应、气相传输、溶剂析出和等离子体沉积等。
其中，快速淬火法是最常用的一种方法。
具体来说，即将合金原料加热到液态，然后快速冷却至室温以下，使其不形成晶体，而形成非晶态合金。
三、非晶态合金的性能特点与普通金属材料相比，非晶态合金具有以下性能特点：1.硬度高：由于其原子无规则排列，结构致密，因此硬度比普通金属材料高。
2.韧性好：非晶态合金的特殊结构使其在受力时能够承受一定的变形而不容易破裂。
3.导电性能佳：非晶态合金原子之间的距离较短，相互之间产生的电子互相作用强烈，因此其导电性能要比普通金属材料好。
4.化学稳定性强：由于非晶态合金结构的致密性，使其抵御化学物质的腐蚀能力较强。
四、非晶态合金在实际应用中的广泛应用由于其性能优越，非晶态合金在实际应用中得到了广泛应用。
例如，在电子技术方面，非晶态合金因其高韧性、低磁滞、低损耗、低温漂移等特点，使其在录音/视频带、计算机磁盘等领域具有重要应用前景。
而在医疗领域，非晶态合金因其生物相容性、耐腐蚀性和可塑性等特点，使其成为生物医学材料的有效替代品，如牙套线。
五、非晶态合金的发展前景随着科技的不断进步和发展，非晶态合金将在微电子、机器人、新型能源、新材料等各个领域得到广泛应用。
未来，随着技术的日益成熟，非晶态合金将会成为一种应用价值极高的新型材料。
总之，非晶态合金的制备与性能研究大大拓宽了材料科学的领域，其独特的性能和应用潜力使其成为人们关注的焦点。
非晶合金的形成机制与制备方法 ppt课件
混合熔点Tm'可表示为
Tm ' TmTM TM X TM TmM X M
TmTM 为过渡金属的熔点；TmM 为类金属的熔点；XTM为过渡金属的摩
尔分数；XM为类金属的摩尔分数。
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2. 尼尔森判据
定义合金的升华焓
H s
H
TM s
X TM
H
M s
Xm
H
TM s
为过渡金属的升华焓；
H
M s
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真空蒸镀法示意图
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（2）溅射法： ➢ 利用在1.3-0.1Pa真空下，电离的离子撞击阴极
靶材得到具有较高动能的溅射原子，使其附着 到阳极基板上而获得薄膜。 ➢ 优点：有较高的沉积速率，约1-10nm/s，可制 备合金膜； ➢ 缺点：基板温度上升快。
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ppt课件
溅射法示意图
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、Ti-Be等非晶态材料。
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3.非晶态的形成过程
过热熔体 B 过 冷 熔 体 C 非晶固体
(稳定相)
（亚稳相）
(亚稳相)
E
A
晶
体
D
（稳定相）
E：结晶过程；C：非晶形成过程 ；D：非晶晶化过程
为类金属的升华焓
尼尔森判据： 当0≤Xm≤0.40 及Tg/Tm≥0.50时， 可形成非晶态合金。
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3. 戴维斯判据改进
熔体淬火形成非晶态合金的判据为： 当J/W <0.032及(J-0.1)/W>0.0044时，易形成非
非晶态合金的原理与应用
非晶态合金的原理与应用随着科技的发展，人们对新型材料的需求也越来越高。
在材料科学领域中，非晶态合金因其独特的物理性质和广泛的应用范围而备受关注。
本篇文章将重点介绍非晶态合金的原理和应用，从而深入了解这一新型材料。
一、非晶态合金的概念非晶态合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一个元素的原子半径比另一个元素的原子半径大得多，在快速冷却的条件下形成的材料。
与晶态合金不同的是，非晶态合金的结构是无序的，没有明显的晶格结构。
这种无序结构使得非晶态合金拥有卓越的力学性能、磁学性能和电学性能，以及高储氢量和高储锂能力等特殊性质。
因此，非晶态合金被广泛应用于诸如制造耐久材料、储氢材料、电子材料、生物医学材料、高强度复合材料等领域。
二、非晶态合金的制备方法快速凝固技术是非晶态合金制备的主流方法之一。
该技术通常采用旋转坩埚法、雨雾法、熔体淬火法、离子束淀积法、激光熔凝法等不同方法，以快速冷却速度将熔融态合金冷却到非晶态。
一些研究人员也采用真空蒸发法、物理气相沉积法和化学气相沉积法等方法制备非晶态合金。
另外，通过机械合金化、溶胶凝胶法、拔丝等方法制备的非晶态合金也不断涌现。
虽然这些方法相对于快速凝固技术没有取得与之相当的成功，但研究人员对其持续关注并不断寻找新制备工艺。
相信在未来的研究中，这些方法也将得到不断完善。
三、非晶态合金的应用领域1.结构材料因为非晶态合金的无序结构在微观上阻碍了其塑性变形、滑移和晶界行为，从而使得非晶态合金的硬度、强度和韧度等性能大幅提升，成为一种理想的高性能结构材料。
非晶态合金制成的齿轮、弹簧、焊接材料等，具有许多优异的机械性能。
2.储氢材料非晶态合金由于其大比表面积和多孔结构，能够吸收更多的氢气分子。
因此，非晶态合金被广泛用于储能材料，如制造储氢合金。
3.电子材料随着电子器件中电路元器件的微小化，非晶态合金因具有优异的导电性能、化学稳定性、耐磨性、高温稳定性等优点，正逐渐取代传统材料应用于电子器件中，如制造传感器、电子包装材料、导电高分子薄膜等。
非晶合金
14
• 金属玻璃在高于晶化温度Tc退火时，由于热激活的 能量增大，非晶合金克服稳定化转变势垒，转变成 自由能更低的晶态。 • 晶化中金属玻璃的结构变化较大，一般涉及原子长 程扩散，所需激活能比发生结构弛豫时高。晶化中 发生相应的结构变化，合金许多性质也会产生较大 的变化。
晶化热处理
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• 非晶晶化结晶与凝固结晶类似，也是一个形核和长 大的过程。
第六讲 非晶合金
Amorphous Alloy
1
主要内容
非晶态合金的发展
非晶态合金的结构
非晶态合金的性能
非晶态合金的制备 非晶态合金的应用
2
• 自然界中各种物质按不同物理状态可分为有序结构 和无序结构两大类。
• 晶体为典型有序结构，气体、液体以及非晶态固体 都属于无序结构。
• 人们最先认识的非晶固体是玻璃等非金属物质，所 以玻璃在一定程度上成为非晶材料的代名词。
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• 金属玻璃结构亚稳性不仅包括温度达到Tc以上发生 的晶化，还包括低温加热时发生的结构弛豫。 • 在低于晶化温度Tc下退火时，合金内部原子的相对 位置会发生较小变化，合金密度增加，应力减小， 能量降低，使金属玻璃的结构逐步接近有序度较高 的“理想玻璃”结构，这种结构变化称为结构弛豫 。 • 发生结构弛豫的同时，非晶合金的密度、比热、粘 度、电阻、弹性模量等性质也会产生相应变化。
晶化是固态反应过程，受原子在固相中的扩散支 配，所以晶化速度没有凝固结晶快。 非晶比熔体在结构上更接近晶态，晶化形核时作 为主要阻力的界面能比凝固时固液界面能小，因 而形核率很高，非晶合金晶化后晶粒十分细小。 实际快速凝固中，形成非晶同时也可能形成一些 细小的晶粒，它们在非晶晶化时可作为非均匀形 核媒质。此外，非晶中的夹杂物、自由表面等都 可使晶化以非均匀形核方式进行。
5.非晶态合金20190401
而形成非晶态，将这种热力学上的亚稳态保存下来冷却到玻璃态转变温度以 下而不向晶态转变。
临界冷却速度 纯金属：108 K/s 合 金：106 K/s
M-P (M=Fe,Co,Ni,Ru)
次亚磷酸盐
影响因素：
（1）组成影响:
表4 Ru-B／ZrO2对环己烯和苯加氢活性转化率/% 表5 Ru-B／ZrO2对含CS2的环己烯加氢活性
类金属含量、添加第三种组分
（2）制备方法影响
表6 不同催化剂的乙腈加氢活性选择性比较
金属和还原剂、高分子物质等
18.大块非晶态合金 成分特点：（1）系统由三个以上组元组成 （2）各组元原子尺寸比大于12％ （3）主要组元之间应有较大负混合热 制备工艺：悬浮熔炼、深过冷加液淬、高压模铸 经验准则： 混乱原则：？？ Inoue经验规律：大块合金三条规则 Size原则：？？ Senkov准则：各组元原子浓度与原子半径关系 电子浓度（e/a）准则：合金系中成分不同若干金属具有相同电子浓度
（4）光学性能：光学特性受金属原子的电子状态支配。 例如：某些非晶态金属其特殊的电子状态具有十分优异的对太阳光吸收 能力；非晶态金属具有良好的抗辐射(中子、Y射线等)能力。
14. 非晶态合金催化作用
(1) 催化剂类型：
表1 NiP和NiB合金上的烯烃加氢速度
一类：Ⅷ族过渡金属-类合金
实例：Ni-P、Co-B-Bi
第四类
非晶态合金
1.定义
某些金属或合金在特殊条件下呈类似于普通玻璃的非晶态结构。非晶态合金 又称为“金属玻璃”。形成：以极高的速度使熔融状态的合金冷却，凝固后 的合金呈玻璃态，是一种亚稳态结构。
非晶态合金的形成条件与制备方法
非晶态合金的形成条件与制备方法非晶态合金是一种特殊的材料，具有非常优异的物理和化学性质。
它的形成条件和制备方法对于研究和应用非晶态合金具有重要意义。
本文将详细介绍非晶态合金的形成条件和制备方法。
一、非晶态合金的形成条件非晶态合金的形成需要满足一定的条件。
首先，合金成分要合适。
通常，非晶态合金由两种或更多种元素组成，其中至少有一种是非晶态形式的。
这些元素的原子尺寸和电子结构应该相似，以便在混合时形成均匀的非晶结构。
合金制备过程中需要快速冷却。
非晶态合金的形成是通过快速冷却液态金属来实现的。
通常，合金液态态由高温下熔融的金属经过混合和均匀化处理得到，然后通过快速冷却来防止晶体的形成，从而形成非晶态结构。
合金材料需要具备合适的形成条件。
通常，非晶态合金的形成需要在合适的温度范围内进行，并且需要保持足够的过冷度，以确保非晶态结构的稳定性。
此外，合金材料的形成还可能受到外界因素如应力和压力的影响。
二、非晶态合金的制备方法非晶态合金的制备方法有多种，下面将介绍几种常见的制备方法。
1. 快速凝固法：这是最常用的非晶态合金制备方法之一。
通过将熔融态合金迅速冷却到非晶态区域的方法来制备非晶态合金。
常用的快速凝固方法包括快速凝固液滴法、快速凝固薄带法和快速凝固块体法等。
2. 溅射法：这是一种通过溅射技术制备非晶态合金的方法。
在溅射过程中，通过将合金靶材置于真空腔室中，利用离子轰击或电子轰击的方式将合金材料溅射到基底上，形成非晶态合金薄膜。
3. 机械合金化法：这是一种通过机械力作用来制备非晶态合金的方法。
常见的机械合金化方法包括球磨法和挤压法等。
在球磨法中，通过高能球磨机将合金粉末进行球磨处理，使其形成非晶态结构。
在挤压法中，通过高压下将合金材料进行挤压，使其形成非晶态结构。
4. 液相法：这是一种通过液相合成的方法来制备非晶态合金。
在液相法中，通过将合金元素的溶液混合并进行热处理，使其形成非晶态结构。
常见的液相法包括熔融法和溶液法等。
非晶合金的形成机制与制备方法 ppt课件
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五、非晶态合金箔、带的制备方法（液体急冷法）
1. 喷射枪法： ➢ 在低压惰性气氛保护下熔
融合金，获得合金液体；
➢ 用高压氩气将合金液体喷 射到钢板上，获得非晶态 合金箔片。
➢ 冷却速率：109 K/s.
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2. 活塞-砧法
熔融状态合金液滴在活 塞与砧的撞击下形成圆 形箔片非晶态合金。
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真空蒸镀法示意图
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（2）溅射法： ➢ 利用在1.3-0.1Pa真空下，电离的离子撞击阴极
靶材得到具有较高动能的溅射原子，使其附着 到阳极基板上而获得薄膜。 ➢ 优点：有较高的沉积速率，约1-10nm/s，可制 备合金膜； ➢ 缺点：基板温度上升快。
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溅射法示意图
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4. 压延法
压延法又称双辊法； 将熔化的金属流经石英管
低部小孔喷射到一对高速 旋转的辊子之间而形成金 属玻璃条带。 条带两面光滑，厚度均匀； 冷却速率：106 K/s.
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5. 单辊法
熔体喷射到高速旋转的辊面上而 形成连续的条带。
工艺简单，易操作； 喷射压力：0.5-2kg/cm2; 喷管与辊面的法线约成14o; 辊面线速度一般为10~35 m/s; 喷嘴材料：石英管、氧化铝管、
稳定过热液相?亚稳过冷液相?亚稳固相3从现象上看在非晶态的形成过程中熔体由液态变为固态时是连续的粘滞系数加大的过程
非晶合金的形成机制与制备方法
1.非晶态合金的特征和形成条件 2.非晶态合金的主要制备方法 3.单片非晶态合金箔、粉末、纤维、丝材以 及薄带的制备方法 4.大块非晶合金的制备 5.影响非晶态合金带材制备的因素 6.非晶态合金的应用
非晶态合金性能与应用课件
非晶态合金具有优异的导热性和绝缘性，这使得它在电子封装领域具有广泛的应用。例如，非晶态合金可以作为电子设备的散热器，有效地将电子元件产生的热量传导出去，保持电子设备的稳定运行。此外，由于其良好的绝缘性能，非晶态合金也可以用作电子元件的绝缘材料，提高电子设备的电气性能中主要应用于制造高性能的发动机零部件，如气缸套和曲轴等，以提高发动机的性能和寿命。
特性
非晶态合金的形成需要快速冷却，以避免原子或分子形成有序的晶体结构。
常见的制备方法包括气相沉积、溅射、熔融纺丝等。
制备方法
形成
历史
非晶态合金的研究始于20世纪30年代，但直到20世纪70年代才开始受到广泛关注。
发展
近年来，随着材料科学和工程技术的不断进步，非晶态合金的应用领域不断扩大，成为新材料领域的研究热点。
抗疲劳性能
尽管非晶态合金的韧性较低，但它们在冲击和振动作用下仍能保持较好的稳定性。
韧性
非晶态合金具有较高的强度和塑性，这使得它们在结构材料和功能材料等领域有潜在应用。
强度与塑性
非晶态合金的热稳定性较差，在温度升高时容易发生晶化，导致其性能下降。
热稳定性
非晶态合金的热膨胀系数较低，这使得它们在高温环境下具有较好的尺寸稳定性。
要点一
要点二
详细描述
非晶态合金具有高强度、高硬度和良好的耐磨性等特点，这使得它在制造高性能的发动机零部件方面具有优势。例如，使用非晶态合金制造的气缸套和曲轴等部件具有更长的使用寿命和更好的耐磨性能，可以提高发动机的效率和可靠性。此外，非晶态合金的制造工艺简单，成本较低，也有利于降低汽车制造成本。
总结词
02
CHAPTER
非晶态合金的性能
非晶态合金通常具有较高的磁导率和较低的矫顽力，使其在磁记录、变压器和传感器等领域具有广泛应用。
非晶态合金的物理性质及应用
非晶态合金的物理性质及应用非晶态合金是指由多种金属或半金属元素组成的无序或几乎无序的固态合金。
与晶态合金相比，非晶态合金具有许多独特的物理性质和应用价值。
本文将探讨非晶态合金的物理性质及应用。
1.非晶态合金的特点晶态合金的原子排列呈现规则排列，而非晶态合金的原子排列呈现几乎无序的“玻璃状”结构。
这种几乎无序的结构使得非晶态合金具有以下几个特点：(1)高硬度。
非晶态合金中原子之间的距离极短，而且没有晶界或者晶界数量很少，故硬度较高。
(2)高的强度和延展性。
非晶态合金中没有晶界，其内部缺陷很少，因此其强度和延展性也很高。
(3)优异的防腐性。
对于一些化学物质和电化学作用都具有很强的抵抗能力，保护作为材料制成的物品自然不易受到腐蚀。
(4)低的磁滞损耗。
非晶态合金的微观组织结构，其磁性在磁场中的变化过程中能够消耗较少的能量，避免了磁滞损耗。
(5)低的体积变形。
在温度、压力和时间等作用下，非晶态合金的体积变形小，具有低的膨胀系数。
2.非晶态合金的应用(1)记忆合金记忆合金是一种非晶态合金，具有形状记忆和超弹性等特性。
它能够根据自身的内部结构记住之前的形状，并在它被激活时重新回到这个形状。
由于其形状记忆性和超弹性，记忆合金被广泛应用于医疗器械、机器人、军事等领域。
(2)导热材料非晶态合金具有较高的热导率，并且热膨胀系数很小，所以非晶态合金常被用作导热材料。
在高级电子和计算机芯片制造过程中，非晶态合金被用来制造电子封装，其热传导性能更好，有助于降低温度。
(3)弹簧材料因其硬度高、强度高和延展性高等性质，非晶态合金可以用作制造弹簧材料。
在高速列车、机器人和航天器等领域，非晶态合金被应用于制造高速弹簧，以保证它们的长期正常工作。
(4)磁性材料非晶态合金具有磁阻抗效应和磁记录性能，并且它们通常具有低磁滞损耗和低交流电阻。
因此，非晶态合金被广泛应用于磁性存储器、变压器、电源和其他电子元件。
3.总结非晶态合金作为一种新型材料，在高端技术领域的应用越来越广泛。
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1965年，马德和诺维克在真空沉积的 Co-Au 合金薄 膜中发现了非晶的铁磁性。 1970年，杜威兹等用喷枪法将70%Au-30%Si液态金 属高速急冷制成非晶合金，这种方法使工业化大规 模生产非晶合金成为可能。 1973年，美国生产出具有很好导磁和耐蚀性能的非 晶铁基合金薄带，非晶合金的研究和应用受到世界 各国广泛的重视。
同年，在美国阿尔弗雷德召开了第一次非晶态固体 国际会议。从此，非晶物理与材料的研究发展成为 材料科学的一个重要分支。
1960年，古贝蒙维从理论上预示非晶固体具有铁磁 性：晶态固体的电子能带过渡到液态时不会有任何 基本形式的改变，这意味着能带结构更依赖于短程 序，而不是长程序，交换作用与短程序相关而与晶 格结构并无必然的联系。因此，短程序的非晶固体 应具有铁磁性。
历史上有关非晶合金的第一个报导是克拉模在 1934 年用蒸发沉积制得的。 1947年，布伦列等人用电解和化学沉积获得了Ni-P 和Co-P的非晶薄膜，发现其有高硬度、耐腐蚀特性， 可用作金属表面的防护涂层，这是非晶材料最早的 工业应用，但并末引起广泛注意。
功能材料 重庆交通大学
1958年，安德森提出：当晶格无序度超过一定临界 标准后，固体中的电子扩散将会消失。
功能材料 重庆交通大学
非晶体与晶体都是由气态、液态凝结而成的固体， 由于冷却速率不同，造成结构的迥然不同。
晶体是典型的有序结构，原子有规则地排列在晶体 点阵上形成对称性；非晶态与气态、液态在结构上 同属无序结构，它是通过足够快的冷却发生液体的 连续转变，冻结成非晶态固体。
晶体 非晶体 气体 晶体、非晶体、气体原子排列示意图
功能材料 重庆交通大学
金属玻璃结构亚稳性不仅包括温度达到Tc以上发生 的晶化，还包括低温加热时发生的结构弛豫。 在低于晶化温度Tc下退火时，合金内部原子的相对 位置会发生较小变化，合金密度增加，应力减小， 能量降低，使金属玻璃的结构逐步接近有序度较高 的“理想玻璃”结构，这种结构变化称为结构弛豫。 发生结构弛豫的同时，非晶合金的密度、比热、粘 度、电阻、弹性模量等性质也会产生相应变化。
功能材料 重庆交通大学
非晶材料在微观结构上具有以下基本特征：
存在小区间的短程有序，在近邻或次近邻原子的键 合具有一定规律性，但没有任何长程有序。
温度升高，非晶材料会发生明显的结构转变，因此 它是一类亚稳态材料，但亚稳态转变到自由能最低 的稳态须克服一定的能量势垒，因此这种亚稳态在 一定温度范围内长期稳定存在；当加热温度超过一 定值Tc(晶化温度)后就会发生稳定化转变，形成晶 态合金。
图6-1
气体、固体、液体的原子分布函数
径向分布函数
N 2 J (r ) g (r ) 4r V 其中N／V为原子的密度。
功能材料 重庆交通大学
根据g(r)-r曲线，可求得两个重要参数：配位数和原于间 距。 从图中可以看出，非晶态的图形与液态很相似但略有不 同，而和完全无序的气态及有序的晶态有明显的区别。 这说明非晶态在结构上与液体相似，原子排列是短程有 序的；从总体结构上看是长程无序的，宏观上可将其看作 均匀、各向同性的。 非晶态结构的另一个基本特征是热力学的不稳定性，存 在向晶态转化的趋势，即原子趋于规则排列。
功能材料
王 念
重庆交通大学 土木建筑学院材料科学与工程系
6 非晶态合金
非晶态合金俗称“金属玻璃”。以极高速度 使熔融状态的合金冷却，凝固后的合金结构呈 玻璃态。 非晶态合金与金属相比，成分基本相同， 但结构不同，引起二者在性能上以差异。
功能材料
重庆交通大学
主要内容
非晶态合金的发展
非晶态合金的结构 非晶态合金的性能 非晶态合金的制备 非晶态合金的应用
功能材料
重庆交通大学
金属玻璃在高于晶化温度 Tc退火时，由于热激活的 能量增大，非晶合金克服稳定化转变势垒，转变成 自由能更低的晶态。 晶化中金属玻璃的结构变化较大，一般涉及原子长 程扩散，所需激活能比发生结构弛豫时高。晶化中 发生相应的结构变化，合金许多性质也会产生较大 的变化。
晶化热处理
功能材料
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(1)化学短程有序。合金中的每一类合金元素原子周 围的原子化学组成均与合金的平均值不同，称化学短 程有序。实际获得的非晶态金属至少含有两个组元， 除了不同类原子的尺度差别、稳定相结构和原子长程 迁移率等因素以外，不同类原子之间的原子作用力在 非晶态合金的形成过程中起着重要作用。化学短程有 序的影响通常只局限于最近邻原子 。 (2)拓扑短程有序。指围绕某一原子的局域结构的短 程有序。常用几种不同的结构参数描述非晶态与合金 的结构特征，主要有原子分布函数、干涉函数、最近 邻原子距离与配位数和质量密度。
非晶磁头
功能材料
重庆交通大学
非晶态合金的结构特征
பைடு நூலகம்
功能材料
重庆交通大学
非晶态合金的结构
研究非晶态材料结构所用的实验技术目前 主要沿用分析晶体结构的方法，其中最直接、 最有效的方法是通过散射来研究非晶态材料 中原子的排列状况。 由散射实验测得散射强度的空间分布，再 计算出原子的径向分布函数，然后，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。 根据辐射粒子的种类，可将散射实验分类， 如表6-1所示。
功能材料 重庆交通大学
为了进一步了解非晶态的结构，通常在 理论上把非晶态材料中原子的排列情况模 型化，其模型归纳起来可分两大类。 一类是不连续模型，如微晶模型，聚集 团模型；另一类是连续模型，如连续无规 网络模型，硬球无规密堆模型等。
功能材料
重庆交通大学
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。从这个角度出发，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。 微晶模型认为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。
功能材料
图6-2 微晶模型得出的径向分布函数与 非晶态Ni实验结果的比较
重庆交通大学
2．拓扑无序模型
该模型认为非晶态结构的主要特征是原 子排列的混乱和随机性，强调结构的无序 性，而把短程有序看作是无规堆积时附带 产生的结果。
在这一前提下，拓扑无序模型有多种形 式，主要有无序密堆硬球模型和随机网络 模型。
上述模型对于描述非晶态材料的真实结构还远远 不够准确。但目前用其解释非晶态材料的某些特性 如弹性，磁性等，还是取得了一定的成功。
功能材料 重庆交通大学
短程有序
非晶态合金的结构特点是：原子在三维空间呈拓扑无序状 排列，不存在长程周期性，但在几个原子间距的范围内，原 子的排列仍然有着一定的规律，因此可以认为非晶态合金的 原子结构为“长程无序，短程有序”。 通常定义非晶态合金的短程有序区小于1.5nm，即不超过45个原子间距，从而与纳米晶或微晶相区别。 短程有序可分为化学短程有序和拓扑短程有序两类。
功能材料
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自然界中各种物质按不同物理状态可分为有序结 构和无序结构两大类。
晶体为典型有序结构，气体、液体以及非晶态固 体都属于无序结构。
人们最先认识的非晶固体是玻璃等非金属物质， 所以玻璃在一定程度上成为非晶材料的代名词。
石英
功能材料
玻璃
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1970年，杜韦兹创立快速凝固技术，从Au-Si合金熔 体中制备了非晶合金，非晶概念才开始与固态金属 与合金联系在一起，常用金属玻璃(metallic glass)来 表示非晶合金。
非晶Fe基带材
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我国非晶合金的研究开始于七十年代中期。
1982年，我国建立非晶合金牌号，批量(50kg/次)生 产宽度为 50-100mm 的薄带并制成大功率变压器、 开关变压器等铁芯。
用非晶材料制成磁头可用于录音、录像；用于各种 传感器的非晶圈丝、薄带及薄膜也研制成功；非晶 薄膜用于磁记录技术方面也取得重大成果。
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无序密堆硬球模型是由贝尔纳提出，用于研究液态金属 的结构。贝尔纳发现无序密堆结构仅由五种不同的多面体组 成，如图6-3，称为贝尔纳多面体。
图6-3 贝尔纳多面体
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在无序密堆硬球模型中，这些多面体作不规则的 但又是连续的堆积，该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。 随机网络模型的基本出发点是保持最近原子的键 长、键角关系基本恒定，以满足化学键的要求。该 模型的径向分布函数与实验结果符合得很好。
功能材料 重庆交通大学
非晶的结构弛豫和晶化都是结构失稳时产生的变 化，非晶的结构稳定性主要取决以下因素：
合金组元的种类和含量：组元种类和含量的变化 会改变原子键合强度和短程有序程度。 凝固冷速：冷速越高，金属玻璃的自由能就会越 高，相应的结构稳定性会越低，在一定条件下越 容易产生结构弛豫和晶化。选择适当的凝固冷速 对保证金属玻璃稳定性十分重要。
功能材料
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构的分析更为有利。
功能材料 重庆交通大学
利用衍射方法测定结构，最主要的信息 是分布函数，用来描述材料中的原子分布。
双体分布函数g(r)相当于取某一原子为原 点(r = 0)时，在距原点为r处找到另一原子 的几率，由此描述原子排列情况。
功能材料
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图6-1为气体、固体、液体的原子分布函数。
随着更多非晶合金的发现以及它们所具有的各种独 特性能的揭示，非晶已不仅作为合金在快速凝固中 出现的一种亚稳相，还成为一类重要的功能材料。
非晶合金带材
功能材料 重庆交通大学
非晶态合金的发展
功能材料
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1845年，沃茨通过将镍的磷化物溶液分解在铁基体 上获得镍的沉积物，这种沉积物很可能就是人类第 一次获得的非晶态金属，但当时由于还没有发现 X 射线衍射技术，因此未能得到证实。