第八章非晶态合金案例
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非晶态合金
非晶态合金的分类 非晶态金属的发展历史 非晶态金属的结构特点 非晶态金属的制备
非晶态金属性能特点及应用
一、非晶态金属合金的分类
非晶态合金
非晶态合金统称为“金属玻璃”。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，即长程无序状态。 可分为两大类： （1）金属＋金属型非晶态合金 （2）金属＋类金属型非晶态合金
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
非晶态合金
2、非晶态金属结构模型 （1）微晶模型 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。 不考虑晶界上原子的排布情况是不合理的。
认为非晶态材料是由“晶粒”非常细小的微晶粒组成。
（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。
这类非晶态合金主要是由过渡金属与B或和P等类金属 组成的二元或三元，甚至多元的非晶态合金
二、非晶态金属的发展历史
1、非晶态金属的发展简史
非晶态合金
1934年 德国人克雷默采用蒸发沉积法首先发现了附着 在玻璃冷基底上的非晶态金属膜 1959～1960年间 真正标志着非晶态金属的诞生 Duwez
1960年 提出非晶态金属具有铁磁性，1965年被证实
晶体 非晶体 气体 晶体、非晶体、气体原子排列示意图
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）。
汪卫华
男，1993年在中科院物理所获博士学位，1994年至 1997年先后在德国Gottingen大学、柏林Hahn-Mitner所 作博士后和洪堡学者；现任中国科学院物理研究所研 究员、博士生导师、课题组长，中国科学院极端条件 物理重点实验室副主任。99年国家杰出青年基金获得 者。国家基金委创新群体学术带头人.
井上明久 研究员
2、我国非晶态金属材料的发展现状
1976年，开始非晶态合金的研究工作。 1996年组建了非晶微晶合金工程技术研究中心，是国内 最早开发非晶纳米晶合金的单位之一。 非晶态金属的国家标准，包括28个牌号。 1982年，我国 建立非晶合金牌号，批量(50kg/次)生产宽度为50100mm的薄带并制成大功率变压器、开关变压器等铁 芯。 首次建立了原位X射线衍射研究多层膜中互扩散的新技 术，精确测量出一系列多层膜在固相反应中的互扩散 系数；发现多层膜中扩散规律及与固相反应的关系。
研究方向： 1.新型非晶、纳米材料的探索及形成规律研究； 2.非晶、纳米材料的结构及极端条件下的物理性能； 3.非晶态物理； 4.高压下的非平衡相变及亚稳材料的合成； 5.新材料的在微重力及空间条件下的制备形成规律研究； 6.非晶合金的结构及变形机理。
我组柳延辉博士及其导师汪卫华研究员分别荣获2009年度院优博奖和导师奖
1、非晶态金属的结构
非晶态合金
（1）内部原子排列短程有序而长程无序
主要特点
气体、液体和固体的原子分布函数
三、非晶态金属的结构特点
非晶态合金
(2)均匀性
ห้องสมุดไป่ตู้
显著特点
一层含义：结构均匀、各向同性，它是单相无定形 结构，没有象晶体那样的结构缺陷，如晶界、孪晶、 晶格缺陷、位错、层错等。 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
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。
非晶合金带材
• 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。
三、非晶态金属的结构特点
1971年 非晶态合金Metglas首次进入市场 1980年 非晶态金属作为催化剂开展了大量研究
1977年诺贝尔物理学奖 ----电子结构理论 P.W.安德森 莫特 范弗莱克
1977年诺贝尔物理学奖授予美国新泽西州缪勒山（Murray Hill）贝尔实 验室的P.W.安德森（Philip W.Anderson,1923-- ）、英国剑桥大学的莫特（Nevill Mott,1905-1996）和美国哈佛大学的范弗莱克（John Van Vleck,1899-1980）， 以表彰他们对磁性和无序系统的电子结构所作的基础理论研究。 P.W.安德森1923年12月13日出生于美国伊利诺斯州的印第安纳波利斯 （Indianapolis）。中学毕业后，进入哈佛大学，主修数学。可是不久第二次世 界大战爆发。P.W安德森在此期间应招入伍，被分配去学习电子物力，不久派 遣到海军研究实验室建造天线。这项工作使他对西方电气公司贝尔实验室有所 了解。战争结束后，P.W.安德森返回哈佛大学，就下决心相物理学家学习，作 一名物理学家。在这些物理学家中，以电子结构理论著称的磁学专家范弗德莱 是他最敬佩的物理学家之一。他和范德莱克曾经一起在军事部门工作过，范弗 莱克是哈佛大学的著名教授，正是范弗莱克的指引，P.W.安德森后来决心把自 己的研究方向定位在固体的电子结构和现代磁学，在范弗莱克的指引下研究了 微波和红外光谱的压力增宽。他为了用分子间相互作用解释这些谱线在高密度 下增宽的现象，借助于洛伦兹等人的理论发展一种更普遍的方法，运用于从微 波到红外和可见光的光谱学。他还根据已知的分子作用计算出了初步的定量结 果。
三、非晶态金属的结构特点
非晶态合金
此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。
非晶态结构模型
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。
非晶态合金的分类 非晶态金属的发展历史 非晶态金属的结构特点 非晶态金属的制备
非晶态金属性能特点及应用
一、非晶态金属合金的分类
非晶态合金
非晶态合金统称为“金属玻璃”。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，即长程无序状态。 可分为两大类： （1）金属＋金属型非晶态合金 （2）金属＋类金属型非晶态合金
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
非晶态合金
2、非晶态金属结构模型 （1）微晶模型 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。 不考虑晶界上原子的排布情况是不合理的。
认为非晶态材料是由“晶粒”非常细小的微晶粒组成。
（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。
这类非晶态合金主要是由过渡金属与B或和P等类金属 组成的二元或三元，甚至多元的非晶态合金
二、非晶态金属的发展历史
1、非晶态金属的发展简史
非晶态合金
1934年 德国人克雷默采用蒸发沉积法首先发现了附着 在玻璃冷基底上的非晶态金属膜 1959～1960年间 真正标志着非晶态金属的诞生 Duwez
1960年 提出非晶态金属具有铁磁性，1965年被证实
晶体 非晶体 气体 晶体、非晶体、气体原子排列示意图
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）。
汪卫华
男，1993年在中科院物理所获博士学位，1994年至 1997年先后在德国Gottingen大学、柏林Hahn-Mitner所 作博士后和洪堡学者；现任中国科学院物理研究所研 究员、博士生导师、课题组长，中国科学院极端条件 物理重点实验室副主任。99年国家杰出青年基金获得 者。国家基金委创新群体学术带头人.
井上明久 研究员
2、我国非晶态金属材料的发展现状
1976年，开始非晶态合金的研究工作。 1996年组建了非晶微晶合金工程技术研究中心，是国内 最早开发非晶纳米晶合金的单位之一。 非晶态金属的国家标准，包括28个牌号。 1982年，我国 建立非晶合金牌号，批量(50kg/次)生产宽度为50100mm的薄带并制成大功率变压器、开关变压器等铁 芯。 首次建立了原位X射线衍射研究多层膜中互扩散的新技 术，精确测量出一系列多层膜在固相反应中的互扩散 系数；发现多层膜中扩散规律及与固相反应的关系。
研究方向： 1.新型非晶、纳米材料的探索及形成规律研究； 2.非晶、纳米材料的结构及极端条件下的物理性能； 3.非晶态物理； 4.高压下的非平衡相变及亚稳材料的合成； 5.新材料的在微重力及空间条件下的制备形成规律研究； 6.非晶合金的结构及变形机理。
我组柳延辉博士及其导师汪卫华研究员分别荣获2009年度院优博奖和导师奖
1、非晶态金属的结构
非晶态合金
（1）内部原子排列短程有序而长程无序
主要特点
气体、液体和固体的原子分布函数
三、非晶态金属的结构特点
非晶态合金
(2)均匀性
ห้องสมุดไป่ตู้
显著特点
一层含义：结构均匀、各向同性，它是单相无定形 结构，没有象晶体那样的结构缺陷，如晶界、孪晶、 晶格缺陷、位错、层错等。 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
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。
非晶合金带材
• 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。
三、非晶态金属的结构特点
1971年 非晶态合金Metglas首次进入市场 1980年 非晶态金属作为催化剂开展了大量研究
1977年诺贝尔物理学奖 ----电子结构理论 P.W.安德森 莫特 范弗莱克
1977年诺贝尔物理学奖授予美国新泽西州缪勒山（Murray Hill）贝尔实 验室的P.W.安德森（Philip W.Anderson,1923-- ）、英国剑桥大学的莫特（Nevill Mott,1905-1996）和美国哈佛大学的范弗莱克（John Van Vleck,1899-1980）， 以表彰他们对磁性和无序系统的电子结构所作的基础理论研究。 P.W.安德森1923年12月13日出生于美国伊利诺斯州的印第安纳波利斯 （Indianapolis）。中学毕业后，进入哈佛大学，主修数学。可是不久第二次世 界大战爆发。P.W安德森在此期间应招入伍，被分配去学习电子物力，不久派 遣到海军研究实验室建造天线。这项工作使他对西方电气公司贝尔实验室有所 了解。战争结束后，P.W.安德森返回哈佛大学，就下决心相物理学家学习，作 一名物理学家。在这些物理学家中，以电子结构理论著称的磁学专家范弗德莱 是他最敬佩的物理学家之一。他和范德莱克曾经一起在军事部门工作过，范弗 莱克是哈佛大学的著名教授，正是范弗莱克的指引，P.W.安德森后来决心把自 己的研究方向定位在固体的电子结构和现代磁学，在范弗莱克的指引下研究了 微波和红外光谱的压力增宽。他为了用分子间相互作用解释这些谱线在高密度 下增宽的现象，借助于洛伦兹等人的理论发展一种更普遍的方法，运用于从微 波到红外和可见光的光谱学。他还根据已知的分子作用计算出了初步的定量结 果。
三、非晶态金属的结构特点
非晶态合金
此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。
非晶态结构模型
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。