非晶合金结构及特性-王云喜 张鹏(加超链接)

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四、区分晶体与非晶的方法
1.XRD衍射图谱
图10 中（a）显示出晶态物质的尖锐 的衍射峰，而图（b）、（c）在2θ=23° 附近呈现出非常宽幅的散射峰，这是非晶 态的特征散射谱。 图（c）在2θ小于3-5°的小角侧能看 到大的散射，被称为小角散射，是由于微 观上的密度不均匀而引起的。 与晶态物质不同，在非晶态物质中， 因不存在晶面上的反射，入射线只在原子 面上“反射”。由于原子间的不规则排列 ，原子之间的间距也是不规则的，由布喇 格公式2dsinθ=λ，当λ一定时，d与θ成一 一对应关系，因此，在X射线谱上显示出 宽幅的连续散射谱特征。
无规则线团模型
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不同结构模型比较图
结晶态（a）、根据不规则网络学说的非晶态（b）以 及根据微晶学说的非晶态（c）的结构模型（点表示 结构单元，例如［SiO4］四面体、金刚石型四面体、 六方型单元、金属四面体单元）
3.已知的非晶态材料的种类
见表1-5
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表1-5 种类 无机玻璃 凝胶
非晶态半导（1）硫系 玻璃（包括其他元素类 似的化合物）（2）非 晶态元素半导体
非晶态材料的种类 化学组成（例）
SiO2、16Na2O· 12CaO· 72SiO2、 53La2O3· 2O3· 37B 5ZrO2· 2O3、 5Ta 50PbO· 30Bi2O3· 2O3、NaF-BeF2 20B SiO2、SiO2-Al2O3
容缓慢增加，随后由于结构弛豫 比热容开始下降，当温度为580K
时，比热容有一个最低值。随后
由于发生玻璃转变，比热容开始 迅速增加，在玻璃转变点达到最
大值。进入过冷液相区后，比热
容又开始缓慢减少，随后由于发 生晶化而使比热容开始迅速降低。
Zr60Al10Co3Ni9Cu18非晶比 热随温度的变化示意图
磁特性软。 即由于其结构上的特点—无序结构，不存在磁晶各 向异性，因而易于磁化；而且没有位错、晶界等晶体 缺陷，故磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽力低、损 耗小，是理想的软磁材料。
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3. 比热容
比热容又称比热容量，简称比热(specific heat)，
新的领域。从发展上看，非晶态超导材料良好的韧性
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。
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二、无序固体的结构
非晶态的结构特征可从近程结构（原子在数埃以内微 小范围的排列）和远程结构（数埃到数十埃范围）来 考虑。目前较为流行的是无规则密堆硬球模型、无规 则网络学说和微晶学说等。
比热容 →
超导电性→
光学性质→
光吸收、光电导、光致发光性质
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表5 非晶态合金的主要特性及应用
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总之，非晶态材料是一种大有前途的新材料， 但也有不如人意之处。其缺点主要表现在两方 面，一是由于采用急冷法制备材料，使其厚度 受到限制；二是热力学上不稳定，受热有晶化 倾向。
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谢谢！
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1 . 力学性能
非晶合金由于其独特的长程无序、短程有序的结构, 而具 有极其优异的物理力学性能，它主要表现为表现为高强度、高 硬度、高弹性极限、高断裂韧性和耐疲劳等。 （1）强度和硬度：由于非晶态合金中原子间的键合比一般的 晶态合金中强得多, 而且合金中不会因为位错的运动而产生滑 移, 因此这些材料具有极高的强度, 特别是非晶材料复合后, 强度又有新的提高。如:锆基金属玻璃用钨丝束复合后, 压缩 断裂强度高达3500～4000MPa; 而未复合的锆基金属玻璃为 1800～2000MPa。
图6表示了这种模型在二维空间的 示意图。由图可见, 配位数一定，键 长近似相等，并且不存在空键，反映 了短程有序性；但是键角有明显的不 一致性，这正是没有长程有序性的原 因。
3.晶子学说
玻璃由无数“晶子”所组成，所谓的“晶子”不同于微晶，它是 带有晶格变形的有序区域；这些“晶子”分散在无定形介质中；从“ 晶子”部分到无定形部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界线 。晶子学说揭示了玻璃的一个结构特征，即微不均匀性和有序性。
非晶合金结构及特性
小组成员：王云喜 张鹏
指导教师：刘世民 教授 2013 . 5月
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结构框架
一 二 三 四
基本概念
无序固体的结构
非晶合金的物理特性 区分晶体与非晶的方法
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刚性状态。与单一的非晶合金相比, 块体非晶复合材料的力 学性能(尤其是断裂延伸率)得到极大的改善和提高。晶体相 颗粒嵌入到非晶基体中, 不但可作为剪切带的萌生点, 同时 能有效地起到阻止剪切带扩展的作用,促进多个剪切带的形 成。此外, 第二相的存在也增加了断裂时的表面积。总之, 促进剪切带的密度增加是提高块体非晶合金塑性变形能力的 根本原因。
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2 . 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。
· 目前使用的软磁材料主要有硅钢、铁-镍坡莫合金
及铁氧体，都是结晶材料，具有磁各向异性而互相干 扰，结果使磁导率下降。
· 而非晶态合金中没有晶粒，不存在磁各向异性，
是单位质量物质的热容量，即是单位质量物体改变单 位温度时的吸收或释放的内能。非晶态合金比热容随 着温度的变化如下图所示，它可以很好的反映非晶的
结构转变过程以及热稳定性。
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•温度在400K～520K，材料的比热
材料（例）
石英玻璃、平板玻璃、日用玻璃、 光学玻璃、重金属氧化物玻璃、 氟化物玻璃等 硅胶、硅矾土（吸附剂、触媒载 体） 静电复印用Se膜、电视摄像管用 光电导膜、太阳能电池用无定形 半导体 玻璃炭、炭黑、炭膜 抗腐蚀性、可机械加工性及软磁 性等
透光率比普通无机玻璃高10%以上，且透过范围 宽，约280-2600nm；重量轻、抗震和抗碎裂能力 强、抗变强度和韧性高；电绝缘性好、对酸、碱 的耐腐蚀能力强；有优良的加工性能，能注射成 型等
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三、非晶合金的物理特性
物理特性
力学性能→ 软磁特性→
高强度、高硬度、高弹性极限、 高断裂韧性和耐疲劳等 磁导率和饱和磁感应强度高，矫 顽力和损耗低 小于Tg，比热容单调且缓慢增 加，大于Tg ，陡峭的上升。 低温下直流电阻为零
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（2）高弹性应变和高弹性极限：表征弹性的一个最重要的参 数为弹性模量, 同晶态合金相比, 大块非晶合金的弹性模量值 较低, 但其最大弹性应变量很大, 可达3.7% (高碳弹簧钢为0. 46% )，这在晶态中是很难实现的。另外, 大块非晶合金的弹 性极限值很高, 接近屈服强度值。非晶这种高弹性的真正根源 在于它的结构无序性，即不像晶态材料那样通过位错的滑移很 快使材料达到屈服，非晶这种高弹性应变和高弹性极限相结合， 使之具有极高的弹性比功。
一、基本概念
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。 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。 液态 (Cu)
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4.无规则线团模型 无规则线团模型适用描述以有机高分子为基础的 非晶态固体结构。每一个高分子长链可以看作为一根 线段，各线段之间互相交织、互相穿插，如同图7所示 的乱线团一样，故得名无规则线团模型。
Se、As40Se30Te30Si、Ge
无定形炭 金属玻璃
C
Fe 80 P 13 C 7 、Co 7 0Fe 5 Si 15 B 10 、Fe 81 B 13.5 S 3.5 C 2 、 Fe78B13Si9、Cu-P、Ni-Si(B,P) 、Co-Si-P和Cu-TiNi等 聚甲基丙烯酸甲脂
有机玻璃
Tg温度以下时，比热容单调且缓
慢的增加，而一旦到了玻璃转变 温度，比热容陡峭的上升。
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4. 超导电性
• 超导电性是指物质低温下失去电阻的特性
• 从50年代开始，人们就发现非晶态金属及合金具有 超导电性。1975年以后，用液体急冷法制备了多种具 有超导电性的非晶态合金，为超导材料的研究开辟了
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（3）塑性和断裂韧性：室温下非晶合金一般呈现脆性断裂
特征。在弯曲条件下可产生多个剪切带, 相应地增大了伸长 率。在拉伸条件下, 非晶合金的变形局限于一狭窄的剪切带
内, 塑性变形也集中于剪切带内, 而在试样其他部分仍保持
结构模型
无规则密堆 硬球模型
无规则 网络学说
晶子学说
无规则 线团模型
非晶合金
无机玻璃质
有机高分子
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1.无规则密堆硬球模型
无规则密堆硬球模型结构可看成是由 原子或多面体单元相互接触而形成的无序 堆积。 由于原子间的不同排列组合可以形成 不同类型的多面体 (典型多面体见下图)， 因此，非晶态的无序密堆积可看成是这些 多面体的无序连接。
100个原子的无序密堆积模型
等径球体堆积形成的多面体：(a)四面体；(b)正八面体；(c)带三个半八面体的三 角棱柱；(d)带两个半八面体的阿基米德反棱柱；(e)四角十二面体
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2.无规则网络结构模型
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图10 方石英、石英玻璃和硅胶 的X射线散射图
2.有无固定熔点
晶体有确定的熔点，加热到达熔点时，如再继续加热， 则温度不再升高，而是由固体慢慢转为液体。 如果是非晶体，则没有熔点，加热时温度一直升高，温 度越高越软，密度越小。最后演化为液晶而逐渐变成液体。
晶态
非晶态
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非晶态合金的基本定义
液态合金在冷却过程中随着不同的冷却速度会凝固成两 种具有不同结构的固体。在较低的冷却速度下，合金熔体结 晶成原子排列具有三维平移周期性（即长程有序）的晶态合 金；在较高的冷却速度下，合金的液态原子结构被“冻结” 下来而不发生结晶现象，从而得到另一种短程有序、长程无 序原子结构的固体材料：非晶态合金。