第四章 非晶材料制备技术

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3．非晶材料的应用
非晶态材料受到人们的重视是从20 世纪 年代开始的 非晶态材料受到人们的重视是从 20世纪 50年代开始的 。 世纪50 年代开始的。 1958年召开了第一次非晶态固体国际会议 尤其是1960年从液 1958年召开了第一次非晶态固体国际会议，尤其是1960年从液 年召开了第一次非晶态固体国际会议， 态骤冷获得金非晶态合金， 态骤冷获得金-硅（Au79Si80）非晶态合金，开创了非晶态合金 研发新纪元。此后一系列“金属玻璃”被开发出来， 研发新纪元。此后一系列“金属玻璃”被开发出来，几乎同时 也发展了非晶态理论模型，Mott-CFO（莫特-科弗奥） 也发展了非晶态理论模型，Mott-CFO（莫特-科弗奥）理论模 型的奠基者1977年获得诺贝尔物理学奖 1977年获得诺贝尔物理学奖。 型的奠基者1977年获得诺贝尔物理学奖。这个模型是非晶态体 系中电子能态的最基本的模型。 系中电子能态的最基本的模型。莫特开拓了作为固体物理新领 域的非晶态物质电子过程的研究， 域的非晶态物质电子过程的研究，被誉为这个新的分支学科的 奠基人。 奠基人。 非晶态材料有着其十分优越的价值，应用范围也十分广泛， 非晶态材料有着其十分优越的价值，应用范围也十分广泛， 可用于日常用品保护和装饰、功能材料的功能膜层、电子、 可用于日常用品保护和装饰、功能材料的功能膜层、电子、电 化工等领域， 力、化工等领域，块状化的非晶合金在这些行业也显示出十分 广阔的应用前景。 广阔的应用前景。 6
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在电力领域，随着高频逆变技术的成熟， 在电力领域，随着高频逆变技术的成熟，传统大功率线性 电源开始大量被高频开关电源所取代，而且为了提高效率， 电源开始大量被高频开关电源所取代，而且为了提高效率， 减小体积，开关电源的工作频率越来越高， 减小体积，开关电源的工作频率越来越高，这就对其中的 软磁材料提出了更高的要求。硅钢高频损耗太大， 软磁材料提出了更高的要求。硅钢高频损耗太大，已不能 满足使用要求；铁氧体虽然高频损耗较低， 满足使用要求；铁氧体虽然高频损耗较低，但在大功率条 件下仍然存在很多问题，一是饱和磁感低， 件下仍然存在很多问题，一是饱和磁感低，无法减小变压 器的体积；二是居里温度低，热稳定性差； 器的体积；二是居里温度低，热稳定性差；三是制作大尺 寸铁芯成品率低，成本高。 寸铁芯成品率低，成本高。 目前采用功率铁氧体的单个变 20kW。 压器的转换功率不超过 20kW。非晶软磁合金同时具有高 饱和磁感和很低的高频损耗，且热稳定性好， 饱和磁感和很低的高频损耗，且热稳定性好，是大功率开 关电源用软磁材料的最佳选择。 关电源用软磁材料的最佳选择。采用非晶铁芯的变压器的 500kW，体积比功率铁氧体变压器减少50％ 转换功率可达 500kW，体积比功率铁氧体变压器减少50％ 以上。 目前在逆变焊机电源中非晶合金已经获得广泛应用， 以上。 目前在逆变焊机电源中非晶合金已经获得广泛应用， 在通讯、电动交通工具、 在通讯、电动交通工具、电解电镀等领域的开关电源中的 应用正在积极开发之中。 应用正在积极开发之中。 下表列出了非晶合金带材的典型性能和一些主要应用。 下表列出了非晶合金带材的典型性能和一些主要应用。
第四章 非晶态固体及 其制备技术
王娟娟
E-mail: juanwang@xaut.edu.cn QQ: 84733433
1．概论
固体物质，有很大一部分是非晶态物质， 固体物质，有很大一部分是非晶态物质，具有悠久的使用 历史，早在二千多年以前，我们的祖先就开始使用玻璃和陶釉。 历史，早在二千多年以前，我们的祖先就开始使用玻璃和陶釉。 不过非晶态物质的物理和化学的生产和发展只不过只是近几十 年的事。 1947年 Brenner等人用电解和化学沉积方法获得 年的事 。 从 1947 年 A.Brenner 等人用电解和化学沉积方法获得 NiNi-P、Co-P等非晶态薄膜用作金属保护层算起至今，也只是50 Co- 等非晶态薄膜用作金属保护层算起至今，也只是50 多年。因而，有关非晶态材料的理论还不算成熟。然而， 多年。因而，有关非晶态材料的理论还不算成熟。然而，非晶 态材料的发展和应用却很迅速。 态材料的发展和应用却很迅速。 我们知道，物质的聚集态， 气体、液体到固体， 我们知道，物质的聚集态，从气体、液体到固体，从有序 度来讲，其中原子或分子排列有序度是从低到高 从低到高。 度来讲，其中原子或分子排列有序度是从低到高。非晶态物质 可以看作有序度介于晶体和液体之间的一种聚集态。 有序度介于晶体和液体之间的一种聚集态 可以看作有序度介于晶体和液体之间的一种聚集态。它和液晶 一样，不像晶态物质那样具有完善的近程和远程有序， 一样，不像晶态物质那样具有完善的近程和远程有序，而是不 存在长程有序，仅具有近程有序。因此“短程有序” 存在长程有序，仅具有近程有序。因此“短程有序”是非晶态 固体的基本特征之一。这种“近程”范围一般只是个小区间， 固体的基本特征之一。这种“近程”范围一般只是个小区间， 2 大约为100~150nm。 大约为100~150nm。
莫特 （Nevill Francis Mott, 1905-） ）
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在电力领域， 非晶得到大量应用。 在电力领域 ， 非晶得到大量应用 。 例如铁基非晶合 金的最大应用是配电变压器铁芯。 金的最大应用是配电变压器铁芯 。 由于非晶合金的工频 铁损仅为硅钢的1 铁损仅为硅钢的1/5－1/3，利用非晶合金取代硅钢可使配 电变压器的空载损耗降低60 ％ 70％ 因此， 电变压器的空载损耗降低 60％ － 70 ％ 。 因此 ， 非晶配电 变压器作为换代产品有很好的应用前景。 变压器作为换代产品有很好的应用前景 。 在 “ 九五 ” 期 九五” 间 ， 我国自行建成了年生产能力 1000吨的非晶带材生产 我国自行建成了年生产能力1000 吨的非晶带材生产 线及相应的年产600吨非晶配电变压器铁芯生产线 线及相应的年产600吨非晶配电变压器铁芯生产线，这为 吨非晶配电变压器铁芯生产线， 在我国大力推广节能型非晶配电变压器奠定了良好基础。 在我国大力推广节能型非晶配电变压器奠定了良好基础 。
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非晶纳米晶带材的典型性能及主要应用领域
铁镍基 非晶 磁屏蔽防 盗标签 0.77 <2 >200,000 15×10-6 15× 360 130
性能指标 钴基非晶 磁放大器高 频变压器扼 流圈脉冲变 压器饱和电 抗器 0.6-0.8 0.6<2 >200,000 <1×10-6 <1×10> 300 130 铁基纳米晶 磁放大器高 频变压器扼 流圈脉冲变 压器饱和电 抗器互感器 1.25 <2 >200,000 <2×10-6 <2×10560 80
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非晶合金的结构特点： 非晶合金的结构特点：
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结构上呈拓扑密堆长程无序， 结构上呈拓扑密堆长程无序 ， 但在长程无序的三维空间又无序的分 布着短程有序的“晶态小集团” 伪晶核” 布着短程有序的 “ 晶态小集团 ” 或“ 伪晶核 ”， 其大小不超过几个 晶格的范围。 晶格的范围。 均匀的各相同一性：非晶合金中原子排列是原子尺度的无序， 均匀的各相同一性 ： 非晶合金中原子排列是原子尺度的无序 ， 不存 在结晶金属所具有的晶界、双晶、堆垛、层错、 在结晶金属所具有的晶界 、 双晶 、堆垛 、 层错、 偏析和析出物等局 部的组织不均匀缺陷，是一种原子尺度组织均一的材料， 部的组织不均匀缺陷 ，是一种原子尺度组织均一的材料 ，具有各向 同性的特点； 同性的特点； 简单单原子结构：由于是单原子组成，故与分子组成的玻璃、 简单单原子结构：由于是单原子组成，故与分子组成的玻璃、高分 子聚合物相比，是一种更加理想的单原子非晶结构材料； 子聚合物相比，是一种更加理想的单原子非晶结构材料； 材料特性的调控性：非晶态合金不受化合价的限制， 材料特性的调控性 ： 非晶态合金不受化合价的限制 ， 在较宽的成分 范围内可以自由调节其组成。因此， 范围内可以自由调节其组成 。 因此， 它具有许多结晶合金所不具有 优异的材料特性的调控性。 优异的材料特性的调控性。 热力学上处于亚稳态，晶化温度以上将发生晶态结构相变， 热力学上处于亚稳态 ，晶化温度以上将发生晶态结构相变， 但晶化 温度以下能长期稳定存在。 温度以下能长期稳定存在。
安德逊 1923（Philip Warren Anderson, 1923- ）
范弗莱克 1899-1980） （John Hasbrouck Van Vleck, 1899-1980）
因对磁性和无序系统的电子 结构的基础性研究， 结构的基础性研究，共同获得了 1977年度诺贝尔物理学奖 1977年度诺贝尔物理学奖。 年度诺贝尔物理学奖。
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在电子信息领域，随着计算机、网络和通讯技术的迅速发展， 在电子信息领域，随着计算机、网络和通讯技术的迅速发展， 对小尺寸、轻重量、 对小尺寸、轻重量、高可靠性和低噪音的开关电源和网络接 口设备的需求日益增长、要求越来越高。例如， 口设备的需求日益增长、要求越来越高。例如，为了减小体 计算机开关电源的工作频率已经从20kHz提高到 提高到500kHz； 积，计算机开关电源的工作频率已经从20kHz提高到500kHz； 为了实现CPU的低电压大电流供电方式 的低电压大电流供电方式， 为了实现CPU的低电压大电流供电方式，采用磁放大器稳定 输出电压； 为了消除各种噪音， 输出电压 ； 为了消除各种噪音 ，采用抑制线路自生干扰的 尖峰抑制器，以及抑制传导干扰的共模和差模扼流圈。因此， 尖峰抑制器，以及抑制传导干扰的共模和差模扼流圈。因此， 在开关电源和接口设备中增加了大量高频磁性器件， 在开关电源和接口设备中增加了大量高频磁性器件，而非晶 合金在此大有用武之地。 合金在此大有用武之地。 在电子防窃系统中， 在电子防窃系统中，早期利用钴基非晶窄带的谐波式防盗标 签在图书馆中获得了大量应用。 签在图书馆中获得了大量应用。最近利用铁镍基非晶带材的 声磁式防盗标签克服了谐波式防盗标签误报警率高、 声磁式防盗标签克服了谐波式防盗标签误报警率高、检测区 窄等缺点，应用市场已经扩展到超级市场。可以预见， 窄等缺点，应用市场已经扩展到超级市场。可以预见，随开 放式服务方式的发展， 放式服务方式的发展，作为防盗防伪的非晶合金带材和丝材 11 的应用会急剧增长。 的应用会急剧增长。
性能指标
铁基非晶 配电变压器 中频变压器 功率因数校 正器 1.56 <4 45×104 45× 27×10-6 27× 415 130
应用
应用
饱和磁感(T) 饱和磁感(T) 矫顽力(A/m) 矫顽力(A/m) 最大磁导率 磁致伸缩系数 居wk.baidu.com温度( 居里温度(℃) 电阻率(mW电阻率(mW-cm)
饱和磁感(T) 饱和磁感(T) 矫顽力(A/m) 矫顽力(A/m) 最大磁导率 磁致伸缩系数 居里温度( 居里温度(℃) 电阻率(mW电阻率(mW-cm)
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非晶合金材料的特性： 非晶合金材料的特性：
1)
高力学性能：高屈服强度、高硬度、高比强度，超弹性 高力学性能：高屈服强度、高硬度、高比强度， 高弹性极限） 高耐磨损性等； （高弹性极限）、高耐磨损性等； 物理特性：高透磁率、高电阻率、耐放射线特性等； 物理特性：高透磁率、高电阻率、耐放射线特性等； 化学性能：高耐腐蚀性、高催化活性 化学性能：高耐腐蚀性、 精密成形性：低熔点、良好的铸造特性、 精密成形性：低熔点、良好的铸造特性、低的热膨胀系 数、对铸型的形状及表面的精密复写性； 对铸型的形状及表面的精密复写性；
2 ．非晶微观结构上的特征
（1）只存在小区间范围内的短程有序，在近程或次近邻的 只存在小区间范围内的短程有序， 原子间的键合（如配位数、原子间距、键角、 原子间的键合（如配位数、原子间距、键角、键长 具有某种规律性，但没有长程序； 等）具有某种规律性，但没有长程序； 非晶态材料的X （2）非晶态材料的X-射线衍射花样是有较宽的晕和弥散的 环组成，没有表征结晶态特征的任何斑点和条纹， 环组成，没有表征结晶态特征的任何斑点和条纹，用 电子显微镜也看不到晶粒间界、 电子显微镜也看不到晶粒间界、晶格缺陷等形成的衍 衬反差； 衬反差； 当温度升高时，在某个很窄的温度区间， （3）当温度升高时，在某个很窄的温度区间，会发生明显 的结构相变，因而它是一种亚稳相。 的结构相变，因而它是一种亚稳相。 由于人们最为熟悉的玻璃是非晶态， 由于人们最为熟悉的玻璃是非晶态，所以也把非晶态称 无定形体或玻璃体（ States） 作无定形体或玻璃体（Amorphous or Glassy States）