4. 非平衡材料

稳态、亚稳态、非稳态
4.1 非晶合金


4.1.1 基本概念
晶体：原子、离子或分子按照一定的空间顺 序排列而成的固体。例如食盐、明矾、金属 等。 非晶：不具有晶体结构的固体。

4.1.1 基本概念

过冷液体：冷却速度很快，不能实现从液相 到固相的转变时，在凝固点以下仍能够保持
液相结构的物质形态。
非晶合金的种类
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
过渡族金属 / B、C、Al、 Si等 过渡族金属的左 / 过渡族 金属的右
金属（Mg、Ca、Sr） / 金属（Al、Zn、Ga）
4.1.2 非晶合金的制备方法

液相凝固控制法： 薄带、细丝、粉末
气相凝缩控制法： 薄膜、超细粉 固相反应控制法： 粉末（固相扩散、 气体吸收）
在工频中大量使用，成本逐渐向硅钢接近。纳米晶合金在
中高频段性能远高于锰锌铁氧体，解决批量生产和成本问 题之后，将成为中高频电源变压器的首选材料。纳米晶合
金在某些抗电磁干扰滤波器已经代替镍锌铁氧体，今后还
会扩大使用范围。复合纳米磁性材料在100mhz至10ghz将 与镍锌铁氧体争夺使用领域。
我国非晶合金材料基本实现产业化


4.1.4 应用与将来展望
特性
强韧性
有希望得到应用的领域
线、导轨、弹簧、应变传感器、复合 件 油净化过滤、化学装置、医疗器械 磁性屏蔽、磁头、耳机磁芯、磁过滤 振子、延迟线、传感器元件 氦气液面计、磁场传感器
耐腐蚀
软磁 磁滞伸缩 超导
非晶合金干式变压器

非晶合金干式变压器,具有如下三大突出优点

原子的易动度随温度的降低而下降，进一步 冷却，得到固体状态、液体结构的物质。
基本概念

临界冷却速度：为了得到非晶材料，在液 体材料冷却过程中，不发生晶体化的最小 冷却速度。
一些物质的临界冷却速度
成分 Ni Pd82Si18 Fe83B17 实测 （K/s） －－ 104.6 106 计算 （K/s） 1010.5 104.5 106
一、性能好---损耗低（空载损耗较SC（B）10系列下 降70％）、噪声小、局放小 .
二、成功地解决了受力不如传统的变压器好这一难 题
三、节能环保,性价比高,结构紧凑合理,外型和谐美 观
日本在非晶材料应用方面作了大量工作

为了提高电力设备效率，减低送配电的损失，采用高压送
电网时，建议采用铁损少的非晶变压器，2002年开始首批
力继美国之后跃居世界第二位。
4.2 伪合金（假合金）
4.2.1 基本概念

合金：一种金属元素与其它金属元素或非
金属元素融合而成的物质

热力学相容性：A+B → AB 时，Δ G<0
伪合金：将热力学不相容的组元以某种形
式组成的具有合金性能的材料
4.2.2 伪合金的意义

1）充分利用材料的性能
例如触头材料


最常用的是液相凝固控制法

单辊法：1975年； 20cm宽，70μm厚的薄带 纺丝法：1980年，数万米长的线
粉末冶金在非晶合金中的应用
薄带、细丝、粉末
→ 颗粒分散强
化材料、非晶合金 固结 爆炸、冲击等晶化温度以下的烧结。 焊接：超声波、激光
4.1.3 材料性能
1）力学性能 原子无秩序排列 无易滑移面，性能各向同性 非变形硬化，完全弹塑性体 高强度、硬度，高韧性 难加工材料可进行50~90%的冷加工 气氛、温度影响使用，氧化、脆化
塑性

长期以来，探索同时具有高强度和大塑性的金属合金材料 一直是材料领域追求的目标，但是由于变形机制的限制， 在提高材料强度的时候往往伴随着塑性的损失。这一趋势 随着材料晶粒尺寸的减小变得愈加明显。当金属合金达到 结构长程无序的非晶状态时(在室温下，非晶合金强度远 远高于同成分的晶态金属合金)，但是其塑性变形能力几 乎完全丧失。这导致非晶材料的脆性断裂。因此，非晶合 金的脆性严重制约了它们作为高强度工程材料的广泛应用。
在我国推广应用非晶材料变压器经 济和社会效益十分巨大

全国配电变压器约20亿KVA，如果全部采用非晶变压器， 将减少空载损耗360万KW，每年可节约电耗 321亿度，折 合人民币193亿元；可减少煤耗1220 万吨，减少CO2气体排
放488 万吨，减少SO2气体排放 15.86 万吨，减少NO2气体
metal sweating materials
一种特殊的散热材料，用于制造耐高温的航 天器器件和电器开关触点。这种材料用高熔 点金属构成多孔的基体，孔隙中渗入低熔点 金属；在高温下工作时，低熔点金属蒸发吸 热，借以冷却材料的表面。这是依据人体蒸 发汗液吸热降低体温的原理设计成的，因而 得名。
金属发汗材料
2） 为材料设计开拓领域
单一材料无法满足要求
互不相容的体系
充分利用各类材料的优点
成分自由度大
合金（复合材料）的形成方式
钼铜合金介绍

1、高电导高热导特性。钼是金属中除金、银、铜等金属外，电导和热 导性比较好的元素。 2、低的可调节的热膨胀系数。铜的热膨胀系数较高，钼的热膨胀系数 却很低。 3、特殊的高温性能。钼的熔点为2 610℃，而铜的熔点仅为1 083 ℃ ， 钼铜合金在常温和中温时，既有较好的强度，又有一定的塑性，而当温 度超过铜的熔点时，材料中的铜可以液化蒸发吸热，起到冷却作用（发 汗冷却）。 4、无磁性。钼和铜均为非铁磁性金属，因此所组成的钼铜合金是一种 优良的无磁材料。 5、低气体含量和良好的真空性能。 6、良好的机加工性。纯钼金属本身由于较高的硬度和脆性，机加工比 较困难。而钼铜合金由于加入铜后材料硬度降低、塑性增加，故有利于 机加工，可以加工成复杂形状的部件。
触头材料也称触点或接点，是高低
压电器中的关键元件，担负着导通 与分断电流的作用，直接影响电器 的可靠性与寿命
对触头材料的基本要求




物理性能：低电阻、高热导、熔点、熔化 热、热稳定性好 力学性能：室温、高温强度，硬度、塑性 电接触性能：耐电弧烧损、接触电阻低
化学性能：耐腐蚀性好、不易氧化、不形 成不导电的化合物 加工性能：可焊接 利用Ag与W各自的性能
W-Cu合金
航空航天
火箭尾喷管喉衬
3000度以上高温， 气速1000m/s 经受固体颗粒冲刷
军事武器
坦克破甲弹药罩
电子通讯
热散和热沉材料
良好的气密性 良好的导热性 严格的热膨胀系数
民 用
真空触头材料
完全致密 均匀的组织 良好的导电性
增程炮的尾喷口
燃气舵、鼻锥
电磁炮轨道
金属发汗材料
该材料还非晶合金高强度
的特点。
2）耐腐蚀性能
非晶材料的化学活性高 → 形成金属的钝态膜 → 耐腐蚀性提高 Fe-2%Cr 相当于 18-8不锈钢 （非晶） （晶体材料） N的盐酸中，1年的腐蚀速度 （mm） 非晶Fe72Cr8P13C7 为 小于 0.00001 18-8不锈钢 为~0.5 钝态膜的形成可防止氢脆，超耐腐蚀性Ti、Nb
研究人员利用常用的Zr、
Cu、Ni和Al金属元素, 根 据自己提出的模量判据，
通过快速凝固的现代冶金
手段,合成出了在室温条 件下具有超高压缩塑性的 非晶合金。不同于以往的 非晶合金，这种新开发的 材料在室温下的压缩塑性 变形能力非常强，可以像 常见的纯Cu，纯Al一样 弯曲或形变成一定的形状。 在具有超高塑性的同时，
采用非晶变压器，日本已将非晶变压器作为落实京都议定 书防止气候变暖、减少有害气体排放的绿色环保产品，全 面推广使用。政府部门首先带头使用，其次是制定绿色采 购法，国家机关动员优先购买绿色产品，对非晶变压器作
为首选产品，同时，政府对使用非晶变压器和制造非晶变
压器企业给予资金补助、优惠融资、税制优惠等措施。
吸附性能
符合图纸
密闭容器,5kg压力 不吸附He气
符合要求
满足要求
Papers









Chengchang Jia, et al, Microstructure and Properties of W-Cu Alloys Prepared with Mechanically Activated Powder, Journal of University of Science and Technology Beijing, 2001, 8(2), 129-132（IDS Number:446AX, ISSN:1005-8850）3 Chengchang Jia, et al, Microstructure of Sintered Mo-Cu Alloys with Mechanically Activated Powder, Rare Metals, 2001, 20(2), 112-116（IDS Number:458MJ, ISSN:1001-0521） Chengchang Jia, et al, Effect of Cobalt on the Sintering Behavior of Mechanically Activated Tungsten Powder, Rare Metals, 2001, 20(3), 183-186（IDS Number:491RC, ISSN:1001-0521） JIA Chengchang, LI Zhigang, HE Yuntao, and QU Xuanhui, Spark plasma sintering on mechanically activated W-Cu powders, Rare Metals 2004; 23; 269~273（IDS Number:858MH, ISSN:1001-0521） Chengchang Jia, et al, Sintering Kinetics of Mechanically Activated Mo-Cu Powder, Science of Sintering, 1999, Vol.31, No.3, p169-174 Chengchang Jia, et al, Mechanical Alloying and W-Cu, Mo-Cu Alloys, 13th International Conference on Composite Materials, Beijing, China, June, 2001, Scientific and Technical Document Publishing House, p489 (ISTP 收录) Chengchang Jia, Zhigang Li, Yuntao He, Yanlei Ping, Zizhang Xie, Microstructure and Characteristics of Mechanically Activated W-Cu Powder, China Particuology, 2003, 1(4): 172~175 Chengchang Jia, et al, Microstructure of Sintered Mo-Cu Alloys with Mechanically Activated Powder, Rare Metals, 2001, 20(2), 112-116（EI检索） 贾成厂等，用机械活化与化学活化粉末制备W-Cu合金，粉末冶金技术，2001，19（3），p148-152 （EI检索） 杨自勤、贾成厂等，机械活化粉末制备W-Cu合金的微观组织，北京科技大学学报，2002，24（2），115-118（EI检索） 赫运涛，贾成厂，樊世民等，机械活化W-Cu粉末的压力烧结，粉末冶金技术，2004，22（1），33-36（EI检索） 贾成厂等， 用机械活化粉末制备钨合金，清化大学学报， 1999, Vol.39, No.6, 35-38（EI检索） 贾成厂等，机械活化对Mo-Cu粉末烧结行为的影响，粉末冶金技术，2000，18（3），163-166（EI检索） 贾成厂，解子章，微观组织及应力状态对烧结Mo-Cu合金热膨胀系数的影响，稀有金属材料科学与工程，2002，增刊2： 85~88 贾成厂，何忠，赵军，解子章，烧结Mo-Cu合金的热膨胀行为，复合材料（生命、环境与高技术），天津大学出版社，2002： 391~394 贾成厂等，机械活化W-Cu粉末的加压烧结，2001年全国粉末冶金学术会议，2001，5，武汉，p51 解子章，贾成厂，烧结Mo-Cu合金的组织特征，2001年全国粉末冶金学术会议，2001，5，武汉，p81