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非晶材料特性組成

點擊次數:723 發布時間:2019/7/9 10:54:28

        非晶態材料也叫無定形或玻璃態材料, 這是一大類剛性固體,具有和晶態物質可相比較的高硬度和高粘滯係數(一般在10泊,即10帕·秒以上,是典型流體的粘滯係數的10倍)。但其組成的 原子

、分子的空間排列不呈現周期性和平移對稱性,晶態的長程序受到破壞;隻是由於原子間的相互關聯作用,使其在幾個原子(或分子)直徑的小區域內具有短程序。由於至今尚無任何有效的實驗方法可以準確測定非晶態材料的原子結構,上述定義都是相對而言的。

 

 

非晶態材料具有三個基本特征。

① 隻存在小區間內的短程序,而沒有任何長程序;波矢 k不再是一個描述運動狀態的好量子數(見固體的能帶)。

② 它的電子衍射中子衍射X射線衍射圖是由較寬的暈和彌散的環組成;用電子顯微鏡看不到任何由晶粒間界晶體缺陷等形成的衍襯反差。

③ 任何體係的非晶態固體與其對應的晶態材料相比,都是亞穩態。當連續升溫時,在某個很窄的溫區內,會發生明顯的結構變化,從非晶態轉變為晶態,這個晶化過程主要取決於材料的原子擴散係數、界麵能和熔解熵(見結構弛豫)。

非晶材料的製備

製備非晶態材料的方法很多,常見的是熔體急冷和從氣相澱積(如蒸發、離子濺射、輝光放電等)。近年來又發展了離子轟擊、強激光輻射和高溫爆聚等新技術,並已能大規模連續生產。

一些具有足夠粘度的液體,經快速冷卻即可獲得其玻璃態。1960年P.杜韋斯等人利用很高的冷卻速率,將傳統的玻璃工藝發展到金屬和合金,製成對應的非晶態材料,稱之為金屬玻璃或玻璃態金屬。其工藝原理如圖所示。當射頻加熱線圈將樣品熔融時,開啟閥門,加壓氣流(如He、N、Ar等)衝破聚酯膜片,使樣品從石英坩堝下端的噴嘴急速噴射到冷卻銅塊上,冷速可達10K/s以上,以獲得其非晶態。除少數比較容易形成玻璃態的合金(如Pd-Cu-Si,Pd-Ni-P,Pt-Ni-P等)以外,大部分金屬玻璃的冷卻速率都相當高,一般在10~10K/s,厚度在50μm以內,也有先製成幾十微米以內的非晶態細顆粒,再壓結成塊狀非晶合金的。

一般認為,純金屬無法用目前達到的10~10K/s的冷卻速度,由液態急冷得到玻璃態。所以,目前所有的玻璃態金屬都包含有兩種或兩種以上的組元。大部分玻璃態合金都具有兩種成分,一部分是金屬性強的元素,如Cu、Ag、Au或過渡金屬Fe、Co、Ni、Pd、Pt;另一部分是非金屬、類金屬元素,如3價的B,4價的C、Si、Ge,5價的P。前者的總和約占70~80at%(原子百分數),後者約占20at%,這樣的組分配比可用非晶態固體的伯耳納多麵體模型加以解釋。易得到非晶態的組分是在合金相圖的共晶點附近,其對應的熔化溫度低。

非晶材料的特性

作為一類特殊結構的剛性固體,金屬玻璃具有比一般金屬都高的強度(如非晶態 Fe80B20,斷裂強度σF達37kgf/mm,為一般結構鋼的七倍多);而且強度的尺寸效應很小。它的彈性也比一般金屬好,彎曲形變可達50%以上。硬度和韌性也很高(維氏硬度HV一般在1000~2000左右)。

低含鉻的鐵基金屬玻璃(如Fe27Cr8P13C7)的抗腐蝕性遠比不鏽鋼為好。由於原子排列的長程無序,聲子對傳導電子散射的貢獻很小,使其電阻率很高,室溫下一般在 100μΩ·cm 以上,電阻率的溫度係數很小(低於±10K);在0K時具有很高的剩餘電阻。在某些非晶態合金中(如PdSiCr),電阻在電阻溫度曲線T=Tm時存在一個極小值,當T<Tm時,電阻隨溫度降低而升高,類似於晶態稀釋合金中的近藤效應,其機製尚不清楚。現已報道的非晶態急冷超導合金有15種,其超導轉變溫度為1.5~8.71K,比晶態超導體為低,其特點是耐輻照能力遠比晶態為強。以過渡金屬(鐵、鈷、鎳)為基質的金屬玻璃具有優異的軟磁性能(見磁性材料),高導磁率和低交流損耗,遠優於商用矽鋼片,可和坡莫合金相比,如(Fe4Co96)(P16B6Al3)非晶態合金的矯頑力Hc≈0.13Oe,剩磁Br≈4500G,有可能廣泛應用於高、低頻變壓器(部分代替矽鋼片和坡莫合金)、磁傳感器、記錄磁頭、磁屏蔽材料等。

普通玻璃是固體嗎?你一定會說,當然是固體。其實,它不是處於固態(結晶態)。對這一點,你一定會奇怪。

這是因為玻璃與晶體有不同的性質和內部結構。

你可以做一個實驗,將玻璃放在火中加熱,隨溫度逐漸升高,它先變軟,然後逐步地熔化。也就是說玻璃沒有一個固定的熔點。此外,它的物理性質也“各向同性”。這些都與晶體不同。

經過研究,玻璃內部結構沒有“空間點陣”特點,而與液態的結構類似。隻不過“類晶區”彼此不能移動,造成玻璃沒有流動性。旧版本草莓视频网站將這種狀態稱為“非晶態”。

嚴格地說,“非晶態固體”不屬於固體,因為固體專指晶體;它可以看作一種極粘稠的液體。因此,“非晶態”可以作為另一種物態提出來。

除普通玻璃外,“非晶態”固體還很多,常見的有橡膠、石蠟、天然樹脂、瀝青和高分子塑料等。

材料種類

非晶態材料的種類很多,矽土(SiO2),以及矽土和Al、Na、Mg、Ca等元素的氧化物的混合物構古老、重要的無機玻璃,一些ⅤA-ⅥA和ⅦA族元素的混合物也較容易得到其玻璃態(如硫係玻璃)。

除傳統的玻璃和新近迅速發展的金屬玻璃外,還包括非晶態半導體、非晶態高聚合物、非晶態電介質、非晶態離子導體等。近20多年來,由於非晶態材料優異的物理、化學特性和廣泛的技術應用,使其得到了迅速的發展,成為一大類重要的新型固體材料。

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