非晶态材料的性质及应用

非晶态材料的性质及应用

摘要:本文主要对非晶态材料的概念和基本特点作了简要的阐述，并全面介绍了非晶态材料优异的物理，化学性能与应用。

关键词:非晶态材料性能应用

一、非晶态材料的基本概念和基本性质

1、非晶态材料的基本概念

非晶态材料是材料科学中一个广阔而又崭新的领域。自然界中，物质存在着三种聚集状态，即气态、液态、固态。固态物质又有两种不同的形式存在，即晶体和非晶体。在晶体中原子、分子或离子在三维空间进行有规律的周期性排列。与此相反，有些物质的原子或离子并没有规律和周期性，是无序排列，这种物质称为非晶态物质

“非晶态”的概念在人们的头脑里是相对于“晶态”而言的。金属和很多固体，它们的结构状态是按一定的几何图形、有规则地周期排列而成，就是我们曾定义的“有序结构”。而在非晶态材料的结构中，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。例如非晶合金，在15～20 范围内，它们的原子排列成四面体的结构，每个原子就占据了四面体的棱柱的交点上。但是，在大于20 的范围内，原子成为各种无规则的堆积，不能形成有规则的几何图形排列。因此，这类材料具有独特的物理、化学性能，有些非晶合金的某些性能要比晶态更为优异。

2、非晶态材料的基本性质

(1)各向同性。非晶态材料各个方向的性质，如硬度、弹性模量、折射率、热膨胀系数、导热率等都是相同的。各向同性是材料内部质点无序排列而呈统汁均质结构的外在表现。

(2)介稳性。玻璃是由熔体急剧冷却而得，由于在冷却过程中黏度急剧增大，质点来不及进行有规则的排列，系统的内能尚未处于最低值，因而处于介稳状态，在一定的外界条件下，仍具有自发放热转化为内能较低的晶体的倾向。

(3)无固定熔点。玻璃态物质由固体转变为液体是在—‘定温度区间(转化温度范围内)进行的，与结晶态物质不同，无固定的熔点。

(4)物理、化学性质随温度变化的连续性和可逆性。非晶态材料由熔融状态冷却转变为固体(玻璃体)是渐变的，需在一定温度范围内完成，其物理、化学性质的变化是连续的、可逆的。图6—2是玻璃体性质随温度变化的示意图。

(5)没有任何长程有序，只存在小区间内的短程有序。非晶态固体结构上的特征是原子排列缺乏周期性。虽然在某一原子周围原子排列有一定规律性，但整体来讲则是缺乏规律性的，即所谓短程有序，长程无序。

(6)衍射花纹是由较宽的晕和弥散环组成，在电子显微镜下看不到晶粒、晶界、晶格缺陷等。

二、非晶态材料的应用

非晶态金属比一般金属具有极高的强度，如非晶态合金fe80b20，

其断裂强度达370kg/mm2，是一般优质结构钢的7

倍，弯曲形变可达50％以上。可见，它在保持高强度的同时还具有较高的韧性。这种非晶态合金还具有优异的抗辐射特性，经中子、γ射线辐照而不损坏，在火箭、宇航、核反应堆、受控核反应等方面都具有特殊的应用。非晶态材料可以制备成复合材料和层状材料。在产品生产工序上，金属玻璃的制备可以连续生产，一次成型，生产程序简单、成本低廉。自1974年起，美国、日本、西德、法国已大量投资，提供了不少的市场产品。

非晶态合金在工业上首先使用于变压器，非晶合金片薄，一般为20～30μm（微米，1‰毫米）制成这种微型优质变压器适用于航天、航空、航海的供电网络上。由它制成的其他配电变压器、脉冲变压器都已投入使用。常用的变压器铁心均是用硅钢片制造，而且条经过冲压、剪切、绝缘等6～8道工序。采用非晶态合金片，减少了这一连串工序，而且所制成的变压器能量损耗低，只有硅钢片变压器的40％。同时，这种非晶态合金片的强度比硅钢片的高，耐腐蚀性好，还具有极优的电学性能。不久，用非晶态合金片做成的电动机诞生了。1980年，美国ge公司用非晶态合金片做成了电动机，其体积小，能量损耗低，其耗能只有用硅钢片制成的电动机的1/3。目前，全世界已有6～7万台非晶态合金制成的配电变压器投入运行。如果在我国，将硅钢片制造的配电变压器全部换成非晶态合金片的变压器，那么每年可节电100亿度，约合价值人民币10亿元以上。世界上属于非晶合金的生产类型很多，美国有58个，日本

73个，我国28个，并且已有年产百万吨铁心的非晶合金厂。非晶合金种类极多，有以铁为主的叫铁基非晶态合金，还有钴基、铁—镍基、铁—钴基、铜基、镍基等。非晶合金还包括永久磁性或在电场下具有磁性的磁性材料，前者称硬磁材料，后者称软磁材料。非晶态磁头，是非晶态合金应用的另一个领域。一种钴——铁——镍——铌——硅——硼体系的非晶态合金耐磨性高、噪声小、硬度高（比常用磁头的硬度高2～3倍），是很好的磁记录材料。早在1988年，我国已生产80吨非晶态软磁合金，用于电子工业的各种电器。非晶态钯——硅合金，可作成电磁、超声信号延迟线，作为信号延迟一段时间的器件，并用于军工、雷达电子计算机、彩色电视、通迅系统或测量仪器。电磁延迟线可由几毫微秒延长达几十微秒，超声延迟线则由几微秒延迟到几千微秒，均可直接使用，免除了一大套延迟讯号的线路和仪器设备。用非晶态合金制作成性能稳定、精确可靠的应变仪和各种传感器都已投入使用，已形成替代原有设备、器件之趋势。

非晶态还有一些独特功能，如低热膨胀系数、在磁场作用下变形接近于零等，根据这些特性，人们已经制造出各种要求不随温度、磁场而变化的精密仪器，如标准量具、精密天平、高精度钟表、104～105立方米的液化天然气的大型运输罐等。常用的磁录像机、电视和电子显微镜也都需要大量的非晶态合金。有的非晶态合金具有恒弹性特性，在受到不同压力作用下，其产生的形变大小，不随温度变化而变化，是制作精密计量仪器的重要材料。

非晶态合金具有超高强度、高硬度、耐腐蚀的性质，是一种非常理想的刀具和轴承材料。非晶硅太阳能电池，在国际能源危机的情况下，闪耀着夺目的光辉。由于太阳能是取之不尽、用之不竭和没有污染的能源，所以非晶硅的研究热潮席卷全球。

总之，各种富有特性的非晶态材料已占领了科学、技术、产业的各个领域，它们已成为重要的新型固体材料的大家族。虽然，非晶态科学从理论到实践，还有许多问题尚未清楚，但是，有关非晶态材料的许多特性已被人们慢慢认识并付诸应用，在非晶态材料这个广阔的领域内，人们将会开拓出许多新课题、新性能、新材料和新前景。

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