非晶態(tài)材料

作為一類特殊結(jié)構(gòu)的剛性固體，金屬玻璃具有比一般金屬都高的強(qiáng)度(如非晶態(tài) Fe80B20，斷裂強(qiáng)度σF達(dá)37kgf/mm,為一般結(jié)構(gòu)鋼的七倍多);而且強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)很小。它的彈性也比一般金屬好,彎曲形變可達(dá)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(yuǎn)比不銹鋼為好。由于原子排列的長程無序，聲子對(duì)傳導(dǎo)電子散射的貢獻(xiàn)很小，使其電阻率很高，室溫下一般在 100μΩ·cm 以上，電阻率的溫度系數(shù)很小(低于±10K);在0K時(shí)具有很高的剩余電阻。在某些非晶態(tài)合金中(如PdSiCr)，電阻在電阻溫度曲線T=Tm時(shí)存在一個(gè)極小值，當(dāng)T<Tm時(shí)，電阻隨溫度降低而升高，類似于晶態(tài)稀釋合金中的近藤效應(yīng)，其機(jī)制尚不清楚。

現(xiàn)已報(bào)道的非晶態(tài)急冷超導(dǎo)合金有15種，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為1.5~8.71K，比晶態(tài)超導(dǎo)體為低，其特點(diǎn)是耐輻照能力遠(yuǎn)比晶態(tài)為強(qiáng)。以過渡金屬(鐵、鈷、鎳)為基質(zhì)的金屬玻璃具有優(yōu)異的軟磁性能(見磁性材料)，高導(dǎo)磁率和低交流損耗,遠(yuǎn)優(yōu)于商用硅鋼片,可和坡莫合金相比，如(Fe4Co96)(P16B6Al3)非晶態(tài)合金的矯頑力Hc≈0.13Oe，剩磁Br≈4500G,有可能廣泛應(yīng)用于高、低頻變壓器(部分代替硅鋼片和坡莫合金)、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(huì)說，當(dāng)然是固體。其實(shí)，它不是處于固態(tài)(結(jié)晶態(tài))。對(duì)這一點(diǎn)，你一定會(huì)奇怪。

這是因?yàn)椴Ａc晶體有不同的性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

你可以做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將玻璃放在火中加熱，隨溫度逐漸升高，它先變軟，然后逐步地熔化。也就是說玻璃沒有一個(gè)固定的熔點(diǎn)。此外，它的物理性質(zhì)也"各向同性"。這些都與晶體不同。

經(jīng)過研究，玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有"空間點(diǎn)陣"特點(diǎn)，而與液態(tài)的結(jié)構(gòu)類似。只不過"類晶區(qū)"彼此不能移動(dòng)，造成玻璃沒有流動(dòng)性。我們將這種狀態(tài)稱為"非晶態(tài)"。

嚴(yán)格地說，"非晶態(tài)固體"不屬于固體，因?yàn)楣腆w專指晶體;它可以看作一種極粘稠的液體。因此，"非晶態(tài)"可以作為另一種物態(tài)提出來。

除普通玻璃外，"非晶態(tài)"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。

非晶態(tài)材料的種類很多,硅土(SiO2),以及硅土和Al、Na、Mg、Ca等元素的氧化物的混合物構(gòu)成最古老、最重要的無機(jī)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(tài)(如硫系玻璃)。

除傳統(tǒng)的玻璃和新近迅速發(fā)展的金屬玻璃外，還包括非晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)高聚合物、非晶態(tài)電介質(zhì)、非晶態(tài)離子導(dǎo)體等。近20多年來，由于非晶態(tài)材料優(yōu)異的物理、化學(xué)特性和廣泛的技術(shù)應(yīng)用，使其得到了迅速的發(fā)展，成為一大類重要的新型固體材料。

非晶態(tài)材料具有三個(gè)基本特征。

① 只存在小區(qū)間內(nèi)的短程序，而沒有任何長程序;波矢 k不再是一個(gè)描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的好量子數(shù)(見固體的能帶)。

② 它的電子衍射、中子衍射和 X射線衍射圖是由較寬的暈和彌散的環(huán)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 任何體系的非晶態(tài)固體與其對(duì)應(yīng)的晶態(tài)材料相比，都是亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)連續(xù)升溫時(shí)，在某個(gè)很窄的溫區(qū)內(nèi)，會(huì)發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)變化，從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，這個(gè)晶化過程主要取決于材料的原子擴(kuò)散系數(shù)、界面能和熔解熵(見結(jié)構(gòu)弛豫)。

制備非晶態(tài)材料的方法很多，最常見的是熔體急冷和從氣相淀積(如蒸發(fā)、離子濺射、輝光放電等)。近年來又發(fā)展了離子轟擊、強(qiáng)激光輻射和高溫爆聚等新技術(shù)，并已能大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。

一些具有足夠粘度的液體，經(jīng)快速冷卻即可獲得其玻璃態(tài)。1960年P(guān).杜韋斯等人利用很高的冷卻速率，將傳統(tǒng)的玻璃工藝發(fā)展到金屬和合金，制成對(duì)應(yīng)的非晶態(tài)材料，稱之為金屬玻璃或玻璃態(tài)金屬。其工藝原理如圖所示。當(dāng)射頻加熱線圈將樣品熔融時(shí)，開啟閥門，加壓氣流(如He、N、Ar等)沖破聚酯膜片,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(dá)10K/s以上，以獲得其非晶態(tài)。除少數(shù)比較容易形成玻璃態(tài)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(dāng)高，一般在10~10K/s，厚度在50μm以內(nèi),也有先制成幾十微米以內(nèi)的非晶態(tài)細(xì)顆粒，再壓結(jié)成塊狀非晶合金的。

一般認(rèn)為，純金屬無法用目前達(dá)到的10~10K/s的冷卻速度，由液態(tài)急冷得到玻璃態(tài)。所以，目前所有的玻璃態(tài)金屬都包含有兩種或兩種以上的組元。大部分玻璃態(tài)合金都具有兩種成分，一部分是金屬性強(qiáng)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(jià)的B，4價(jià)的C、Si、Ge，5價(jià)的P。前者的總和約占70~80at%(原子百分?jǐn)?shù))，后者約占20at%，這樣的組分配比可用非晶態(tài)固體的伯耳納多面體模型加以解釋。最易得到非晶態(tài)的組分是在合金相圖的共晶點(diǎn)附近，其對(duì)應(yīng)的熔化溫度最低。

D. Turnbull and B. G. Bagleg,Treatise on Solid State Chemistry, Vo1.5, Plenum Press, New York, 1976.

H. S. Chen,Reports on Progress in Physics,Vol.43,pp.353~432,1980.

Division of Materials Sciences, U. S. Dept. of Energy,Panel Report on Amorphous materials,1980.

W. Klement, R. H. Willens and P.Duwez nature.,Vo1.187,p. 869,1960.

在日常生活中人們接觸的材料一般有兩種:一種是晶態(tài)材料，另一種是非晶態(tài)材料。所謂晶態(tài)材料，是指材料內(nèi)部的原子排列遵循一定的規(guī)律。反之，內(nèi)部原子排列處于無規(guī)則狀態(tài)，則為非晶態(tài)材料。象食鹽、寶石等都是晶態(tài)材料，而木材、紡織品和玻璃屬非晶態(tài)材料。以往我們認(rèn)識(shí)的所有金屬，其內(nèi)部原子排列有序，都屬于晶態(tài)材料。

我們先從非晶材料 (amorphous materials)說起，在日常生活中人們接觸的材料一般有兩種:一種是晶態(tài)材料，另一種是非晶態(tài)材料。所謂晶態(tài)材料，是指材料內(nèi)部的原子排列遵循一定的規(guī)律。反之，內(nèi)部原子排列處于無規(guī)則狀態(tài)，則為非晶態(tài)材料, 一般的金屬，其內(nèi)部原子排列有序，都屬于晶態(tài)材料?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，金屬在熔化后，內(nèi)部原子處于活躍狀態(tài)。一但金屬開始冷卻，原子就會(huì)隨著溫度的下降，而慢慢地按照一定的晶態(tài)規(guī)律有序地排列起來，形成晶體。如果冷卻過程很快，原子還來不及重新排列就被凝固住了，由此就產(chǎn)生了非晶態(tài)合金,制備非晶態(tài)合金采用的正是一種快速凝固的工藝。將處于熔融狀態(tài)的高溫液體噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥上。合金液以每秒百萬度的速度迅速冷卻，僅用千分之一秒的時(shí)間就將1300℃的合金液降到室溫，形成非晶帶材。

非晶態(tài)合金與晶態(tài)合金相比，在物理性能、化學(xué)性能和機(jī)械性能方面都發(fā)生了顯著的變化。以鐵基非晶合金為例，它具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和低損耗的特點(diǎn)。由于這樣的特性,非晶態(tài)合金材料在電子、航空、航天、機(jī)械、微電子等眾多領(lǐng)域中具備了廣闊的應(yīng)用空間。例如，用于航空航天領(lǐng)域，可以減輕電源、設(shè)備重量，增加有效載荷。用于民用電力、電子設(shè)備，可大大縮小電源體積，提高效率，增強(qiáng)抗干擾能力。微型鐵芯可大量應(yīng)用于ISDN中的變壓器。非晶條帶用來制造超級(jí)市場和圖書館防盜系統(tǒng)的傳感器標(biāo)簽。非晶合金神奇的功效，具有廣闊的市場前景。