非晶态金属材料
一，非晶态金属材料
非晶态金属材料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”，所以非晶态金属又称为“金属玻璃”或“玻璃态金属”。

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，甩带法和机械法。

二，非晶态金属的特点
由于传统的金属材料都以晶态形式出现。

但这类金属熔体，由于极快的速率急剧冷却，例如每秒钟冷却温度大于100万度，冷却速度极快，而高温下液态时原子呈无序状态，因被迅速“冻结”而形成无定形的固体，此时这称为非晶态金属；由于其内部结构与玻璃相似，故又称金属玻璃。

这种材料强度和韧性兼具，即强度高而韧性好，一般的金属在两点上是相互矛盾的，即强度高而韧性低，或与此相反。

而对于非晶态金属，其耐磨性也明显地高于钢铁材料。

非晶态金属还具有优异的耐蚀性，远优于典型的不锈钢，这可能是因为其表面易形成薄而致密的钝化膜；同时由于其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶粒、晶界和缺陷，所以不易产生引起电化学腐蚀
并且非晶态金属还具有优良的磁学性能；由于其电阻率比一般金属晶体高，可以大大减少涡流损失，低损耗、高磁导，故使其成为引人注目的新型材料，也被誉为节能的“绿色材料”。

另外，非晶态金属有明显的催化性能；它还可作为储氢材料。

但是非晶态合金也有其致命弱点，即其在500度以上时就会发生结晶化过程，因而使材料的使用温度受到限制。

还有其制造成本较高，这点也限制非晶态金属广泛应用。

三, 非晶态金属的制备方法
1.液体急速冷却法
液体急冷法有双轮涡凹法、旋转液体中有喷射法、喷雾法、电弧法、火焰法和枪法等多种, 较为常见的是前三种。

（1）双轮涡凹法。

该法的装置一般由3个轮子组成，上面两个轮子水平，间距为
0.2-0.5mm，两个轮子的旋转防线相反，依靠高速旋转产生较大的负压
在两轮子的间隙下面, 另装有一个高速旋转的轮子。

当熔化的金属在
负压的作用下通过间隙喷射出来时,被冲成粉末, 并且在下面一个轮
子上快速冷却, 从而得到非晶态粉末。

此法设备简单易得，操作简便,
用现在的生产设备一次可将数公斤的液体金属制成十数百的非晶态金
属粉末, 但制出来的粉末球状性差、粒径大
（2）旋转液体喷射法
在一个环形容器内装上冷却液, 并让容器高速旋转, 冷却液在离心力
的作用下, 在容器内侧形成一个环形, 熔化的合金被喷到此冷却液中
快速冷却, 从而形成非晶态金属粉末的方法) 该法原来是用于制作非
晶态细丝的, 后加以改造用于制作非晶粉末。

由于液体金属粉末喷到
水溶液中后, 各方面的冷却效果相同, 因而能形成球性好的非晶态金
属粉末, 粒度可达100um，只是一般的冷却剂为蒸馏水、盐水, 冷却
速度较低，所以仅适用于非晶态化临界冷却速度较小的金属,另外此
方法连续生产性差。

（3）喷雾法
这是用得最多的一种方法, 是对传统的金属粉末制作设备作了一
定的改进形成的。

使高压气体或液体通过许多小孔高速喷出形成一个
反圆锥或一个V形气流或液流带, 当液体金属通过一个导管流入其中
时, 受高压气体或液体的冲击和冷却<其冷却速度可达104), 被冲成
粉状。

用此法生产粉末, 产量高, 这是工业化生产性能最好的一种方
法。

2.气相凝聚法
气相凝聚法作为制作非晶态薄膜的重要方法被广泛应用, 而目前关于用此法制作非晶态粉末的报告则不多。

化学气相沉积法是其中的一种。

它是让一种或数种气体受热、光、电、磁等的作用发生热分解、还原或其他反应, 从气相中析出非晶态粉末的方法, 但一般仅用在高熔点金属及金属陶瓷的非晶态粉末的合成中。

溅射法近来也被用于制作非晶态粉末,这种方法是利用有机材料作为基板, 事先用溅射的方法在基板上制成一层高密度凸凹不平的小孔突起, 然后再用溅射法在突起处形成非晶态微晶。

用这种方法所做的非晶态微粉粒度非常小, 所以兼有超微粉和非晶态材料的特性) 其特性如表4 、表; 所示) 这样的微粒子可以用作将来的磁记录材料、磁性流体、催化剂、气敏材料等。

3.化学溶液反应法
用化学溶液反应法制作非晶态合金的方法早为人知, 但一般都是用来制作非晶态膜的。

最近发现金属离子水溶液和氢化物、硼化物的水溶液混合, 短时间内可产生大量非晶态微粉, 这种现象已在
Fe-B,Co-B,Fe-N-B,Ni-M-B(M=Cr,Mo,W,Mn)等许多合金的非晶态微粉制作中得到证实。

此法不是靠电解反应, 而是靠物质间的化学反应实施的。

水溶液中的金属离子以非晶态微粒的形式还原析出。

用此方法得到的非晶态金属是大小为5-20nm的超微粉, 而且形成非晶态的成分范围与液相急冷法形成的有很大不同。

现在已开始研究这些超微粉的物性, 并发现了一些良好的特性,
例如, 用此法制作的(Fe-Co
64)B
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系非晶态超微粒子在室温下具有强磁性,
而且, 超微粒子状的非晶态合金比薄带状的非晶态合金的H。

要大好多倍。

另外其结晶化温度也大体与薄带状非晶态合金的相等。

没有发现结晶化温度随粒子的粒径减小而降低的现象。

此方法的特点是, 不需要消耗能量使金属熔化, 也不需要复杂的冷却设备, 工业生产性能好
4.固态反应法
这是利用固态金属原子间的反应形成非晶态微粉的方法, 包括氢气吸收法、机械合金化法、多层膜扩散法、放射线照射法等。

这些方法的共同特点是非晶态合金都是从稳定的结晶相直接转变而来的。

近年来这些领域的研究最活跃, 论文数量很多, 已作为一种新型的非晶态粉末制作方法受到普遍关注。

这里仅就研究得较多的氢气吸收法及机械合金法作些介绍。

(1)氮气吸收法。

这是一种在适当条件下, 让金属间化合物吸收氢气, 发生非晶态化转变, 同时迅速膨胀而使其细化的方法。

此法最初是Yeh等人观察Zr
3
Rh吸收氢气后
的结构变化时发现的。

研究证明有许多金属间化合物<如表所示= 都可以通过此法制成非晶态微粉。

值得一提的是像Zr3Al等许多金属间化合物用其他方法都难以形成非晶态金属, 而用此方法则能较方便地使其形成非晶态合金。

获得的非晶态金属粉末粒径在20um以下, 而且可以通过控制氢气的压力及反应温度来调节非晶态金属粉末粒度的大小。

这些非晶态金属粉末的性能与其他方法所获得的非晶态合金的性能有很大差别, 如比热大、结构缓和大、易烧结等。

但用此法制作非晶态微粉时, 合金应能大量地吸收氢气才行, 所以合金中必须含有许多与氢结合性强的元素, 如稀土元素Ti,Zr,Hf,Nb等元素，在合金成分上有一定的限制。

（2）机械合金化法。

这是将两种以上的原料粉末在非活性气体中通过球磨而得到非晶态金属微粉的方法, 通常称为Mechanical Alloying(MA)法。

这种方法最初是INCO公司的Benjamin为了制作粒子分型强化超合金而提出的。

近几年来, 发现有一些合金经球磨后会发生非晶态化相变, 才引起人们对此方法的广泛兴趣。

目前对(入法的热力学、非晶态化机理、非晶态微粉的物性、合金结构等方面的研究都很活跃。

常见的球磨方法有滚动式球磨、搅拌球磨、行星型球磨、振动球磨等几类。

在球磨过程中有冲击、剪切、摩擦、压缩及多种混合作用。

这些作用使金属粉末局部破坏、压接, 在微观上混合化、合金化、微粒化, 通过局部加热、扩散,形成非晶态金属粉末。

在各种作用中, 媒体与硬质球相碰的碰撞力起的作用最大。

非晶态粉末的形成除了与研磨工艺有关外, 更重要的是还与元素之间的结合自由能、原子间的半径比密切相关。

根据合金状态图的特点, 可以将这些合金分成6类。

还有一种与MA相似的叫做MG法(Mechanical Grinding)的方法, 也同样被广泛应用在非晶态微粉研究中。

MG法与MA法之处是其出发原料不同,MG法是以多种金属的合金粉末为原料, 另外元素间的结合能△G必须小于零。

非晶态金属粉末的研究仅有几年的的功夫, 但已形成非晶态材料领域中的一个重要方向。

随着微粉制作技术的提高以及微粉物性和成形技术的不断开发, 在不久的将来这种材料将能得到广泛应用。

四, 非晶态金属的应用。