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非晶态金属

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非晶态金属样品

非晶态金属(英語:Amorphous metal),是指在原子尺度上结构无序的一种金属材料。大部分金属材料具有很高的有序结构,原子呈现周期性排列(晶体),表现为平移对称性,或者是旋转对称,镜面对称,角对称(准晶体)等。而与此相反,非晶态金属不具有任何的长程有序结构,但具有短程有序和中程有序(中程有序正在研究中)。一般地,具有这种无序结构的非晶态金属可以从其液体状态直接冷却得到,故又称为“玻璃态”。所以,非晶态金属又稱為「金屬玻璃」(Glassy metal、Metallic Glass)、“玻璃态金属”、「液態金屬」(Liquid metal)或大块金属玻璃(Bulk Metallic Glass,BMG)是一种具有较低冷却速度极限的非晶态金属,所以该种金属合金可以制备出尺度超过1毫米的金属片或金属圆柱。制备非晶态金属的方法包括:物理气相沉积、固相烧结法、离子辐射法、甩带法(連續鑄造英语continuous casting法其中一種)和机械法。

性質[编辑]

常見的金屬或合金大部分都是晶態金屬。金屬或合金呈現液態(熔融態)時,原子與原子間的金屬鍵會被打斷,晶格被破壞,這時如果緩慢冷卻,原子和原子間會有序地排列,重新形成晶格,成為常見的晶態金屬;如果快速冷卻,原子間便會以無序的方式堆積,就會形成非晶態金屬[1]。可以以晶態金屬為原料製造非晶態金屬,構成兩者的原子種類相同而排列結構不同,所以在力學、電磁學或化學性質方面都有些許不同之處[2]化學式表示法也有些許不同,通常晶態金屬會以最簡式表達,非晶態金屬則會寫成結構簡式

塊狀的的非晶態金屬硬度(的2倍)、強度(鈦的3倍)與抗永久變形能力都非常好,然而其剪切帶(shear band)在高度受力時較材料的其他處更容易變形,進而可能導致整塊金屬斷裂。此問題尚有待克服[3]

薄膜狀的非晶體金屬不像塊狀時容易發生斷裂,沒有晶界,有殊水性而不容易沾黏,能阻隔某些雜質的原子擴散到重要元件內,可應用在醫療與半導體產業上[4]

與晶態金屬不同,非晶態金屬必須要經過玻璃轉化溫度(Tg)、結晶化溫度(Tx)與液態溫度後才會由固態轉為液態(晶態金屬只要超過熔點便會轉為液態),且在此期間非晶態金屬會呈現介於固態和液態間的過冷液相,具有非常高的可塑性。[5]

由于铁基非晶态金属不具长程有序结构,其磁化及消磁均较一般磁性材料容易。因此,以铁基非晶合金作为磁芯的非晶合金变压器,铁损(即空载损耗)要比一般采用硅钢作为铁芯的传统变压器低70-80%,对电网节能降耗有积极作用。[6]

发展历史[编辑]

1960年,W. Klement (Jr.), Willens 和 Duwez 首次制备观察到了世界上第一块金属玻璃材料—— (Au75Si25)合金[7] 早期发现具有玻璃形成能力的合金均是在急速冷却下制备(降温速率在1百萬开尔文每秒, 106 K/s),阻碍结晶过程。 为了达到冷却速率阈值,这类材料的形貌在某个维度上要足够小,典型的如带状、箔状、线状等,其厚度要小于100微米

1969年,发现合金77.5% 、6% 、16.5% 的玻璃化临界降温速率仅在 100 到 1000 K/s之间。

1976年, H. Liebermann 和 C. Graham 发展一类新型非晶金属制备方法,通过单辊甩带机实现骤冷[8] 实验中采用的合金由构成。在1980年代初投入商业应用,是低损耗输电变压器的核心构件(非晶合金变压器

80年代初,通过热冷循环处理后的表面刻蚀,Pd55Pb22.5Sb22.5合金形成的玻璃态块材直径达到5毫米。

1988年,发现镧系、铝系和铜系合金有着较高的玻璃形成能力。

90年代,新型合金的玻璃态临界降温速率降至1K/s。这一降温速率在普通的模具浇铸法中即可实现。 这些块状的非晶合金铸件厚度可达数厘米(最大厚度与合金种类相关)。

玻璃形成能力最强的合金来自锆系和钯系。铁系、钛系、铜系、镁系等合金的也具备玻璃形成能力。 许多非晶合金的形成借助了一类的“混合效应”。

參考資料[编辑]

  1. ^ 何鎮揚. 金屬玻璃(Metallic Glass). 國立台灣大學. 2009-07-29 [2021-07-29] (中文). 金屬或合金在融熔狀態下緩慢冷卻,得到的是晶態金屬或晶態合金。如果在融熔狀態下以極高的速度驟冷(冷卻速度為 106 K/s),因原子來不及有序化排列,形成的是非晶態金屬或合金... 
  2. ^ 何鎮揚. 金屬玻璃(Metallic Glass). 國立台灣大學. 2009-07-29 [2021-07-29] (中文). 金屬玻璃與晶態金屬相比,雖然化學成分相似甚至相同,但由於結構不同,無論在力學、電學、磁學及化學性質等方面都有一定的獨特之處 
  3. ^ 薛承輝. 金屬玻璃之發展與應用 (PDF). 台大校友雙月刊. 2015, (98期): P.8–P.9. 
  4. ^ 薛承輝. 金屬玻璃之發展與應用 (PDF). 台大校友雙月刊. 2015, (98期): P.10. 
  5. ^ 薛承輝. 金屬玻璃之發展與應用 (PDF). 台大校友雙月刊. 2015, (98期): P.8. 
  6. ^ 详见"国家电网公司重点应用新技术目录(2006年第一批), ISBN 978-7-5083-5266-4"
  7. ^ 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. 
  8. ^ 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. 

相關條目[编辑]