非晶態金屬

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非晶態金屬樣品

非晶態金屬是指在原子尺度上結構無序的一種金屬材料。大部分金屬材料具有很高的有序結構,原子呈現周期性排列(晶體),表現為平移對稱性,或者是旋轉對稱,鏡面對稱,角對稱(准晶體)等。而與此相反,非晶態金屬不具有任何的長程有序結構,但具有短程有序和中程有序(中程有序正在研究中)。一般地,具有這種無序結構的非晶態金屬可以從其液體狀態直接冷卻得到,故又稱為「玻璃態」,所以非晶態金屬又稱為「金屬玻璃」或「玻璃態金屬」。製備非晶態金屬的方法包括:物理氣相沉積,固相燒結法,離子輻射法,甩帶法和機械法。

由於鐵基非晶態金屬不具長程有序結構,其磁化及消磁均較一般磁性材料容易。因此,以鐵基非晶合金作為磁芯的非晶合金變壓器,鐵損(即空載損耗)要比一般採用矽鋼作為鐵芯的傳統變壓器低70-80%,對電網節能降耗有積極作用。詳見"國家電網公司重點應用新技術目錄(2006年第一批), ISBN 978-7-5083-5266-4"。

大塊金屬玻璃(BMG)是一種具有較低冷卻速度極限的非晶態金屬,所以該種金屬合金可以製備出尺度超過1毫米的金屬片或金屬圓柱。

發展歷史[編輯]

1960年,W. Klement (Jr.), Willens 和 Duwez 首次製備觀察到了世界上第一塊金屬玻璃材料—— (Au75Si25)合金[1] 早期發現具有玻璃形成能力的合金均是在急速冷卻下製備(降溫速率在1 開爾文每秒, 106 K/s),阻礙結晶過程。 為了達到冷卻速率閾值,這類材料的形貌在某個維度上要足夠小,典型的如帶狀、箔狀、線狀等,其厚度要小於100微米

1969年,發現合金77.5% 、6% 、16.5% 的玻璃化臨界降溫速率僅在 100 到 1000 K/s之間。

1976年, H. Liebermann 和 C. Graham 發展一類新型非晶金屬製備方法,通過單輥甩帶機實現驟冷[2] 實驗中採用的合金由構成。在1980年代初投入商業應用,是低損耗輸電變壓器的核心構件(非晶合金變壓器

80年代初,通過熱冷循環處理後的表面刻蝕,Pd55Pb22.5Sb22.5合金形成的玻璃態塊材直徑達到5毫米。

1988年,發現鑭系、鋁系和銅系合金有著較高的玻璃形成能力。

90年代,新型合金的玻璃態臨界降溫速率降至1K/s。這一降溫速率在普通的模具澆鑄法中即可實現。 這些塊狀的非晶合金鑄件厚度可達數厘米(最大厚度與合金種類相關)。 玻璃形成能力最強的合金來自鋯系和鈀系。鐵系、鈦系、銅系、鎂系等合金的也具備玻璃形成能力。 許多非晶合金的形成藉助了一類的「混合效應。

References[編輯]

  1. ^ Klement, W.; Willens, R. H.; Duwez, POL. Non-crystalline Structure in Solidified Gold-Silicon Alloys. Nature. 1960, 187 (4740): 869–870. Bibcode:1960Natur.187..869K. doi:10.1038/187869b0. 
  2. ^ Libermann H. and Graham C. Production Of Amorphous Alloy Ribbons And Effects Of Apparatus Parameters On Ribbon Dimensions. IEEE Transactions on Magnetics. 1976, 12 (6): 921. Bibcode:1976ITM....12..921L. doi:10.1109/TMAG.1976.1059201.