非晶態(tài)合金

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。以往我們認識的所有金屬，其內(nèi)部原子排列有序，都屬于晶態(tài)材料。

原子在三維空間呈拓撲無序狀排列，不存在長程周期性，但在幾個原子間距的范圍內(nèi)，原子的排列仍然有著一定的規(guī)律，因此可以認為非晶態(tài)合金的原子結(jié)構(gòu)為"長程無序，短程有序"。通常定義非晶態(tài)合金的短程有序區(qū)小于1.5nm，即不超過4-5個原子間距，從而與納米晶或微晶相區(qū)別=短程有序可分為化學(xué)短程有序和拓撲短程有序兩類。

非晶態(tài)金屬至少含有兩個組元，除了不同類原子的尺度差別、穩(wěn)定相結(jié)構(gòu)和原子長程遷移率等因素以外，不同類原子之間的原子作用力在非晶態(tài)合金的形成過程中起著重要作用?；瘜W(xué)短程有序的影響通常只局限于近鄰原子，因此一般用近鄰組分與平均值之差作為化學(xué)短程有序參數(shù)，對于二元A-B體系為[8]

up=1-ZAB/(ZcB)=1-ZBA/(ZcA)

其中ZAu和ZuA分別代表A(或B)原子近鄰的B(或A)原子配位數(shù)，Z是原子總配位數(shù)。cA和cu分別是A與B原子在合金中的平均濃度。當A和B兩種原子直徑明顯不同時，A原子的總本位數(shù)ZA與B原子的總配位數(shù)Zi3不再相同，ZA≠Ze，這時短程有序另一種定義[9]:

指圍繞某一原子的局域結(jié)構(gòu)的短程有序。常用幾種不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)描述非晶態(tài)與合金的結(jié)構(gòu)特征，主要有原子分布函數(shù)、干涉函數(shù)、近鄰原子距離與配位數(shù)和質(zhì)量密度。

8.1.1.2原子分布函數(shù)

設(shè)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是各向同性的均勻結(jié)構(gòu)，其平均原子密度Po為--定體積y中包含的原子數(shù)N:

Po=N/V

描述某一原子附近的密度變化可用徑向分布函數(shù)RDF(r):

RDF(r)=4*3.14xr2p(r)

其中r是距某中心原子的距離，p(r)是距離r處的密度，由上式可知，RDF(r)dr代表以某個原子為中心，在半徑r處、厚度為dr的球殼內(nèi)的原子數(shù)，從而RDF(r)=dN/dr表示原子數(shù)目(密度)隨距離增加的變化。

定義約化徑向分布函數(shù)G(r)為:

G(r)=4x3.14*r[p(r)-po]

幾種過渡金屬-類金屬非晶態(tài)合金的約化徑向分布函數(shù)如圖8-1所示，函數(shù)值隨著與中心原子的距離增大而呈有規(guī)律的起伏。此外，還定義雙體分布函數(shù)g(r):

z(r)=p(r)/p。

當合金中包含幾種不同類原子時，引入偏徑向密度函數(shù)pii(r)、偏雙體分布函數(shù)gii(r)、偏約化徑向分布函數(shù)GO(r)等參數(shù)描述原子之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。例如，pji(r)指與某個第i類踩子的距離為r處，單位體積中第j類原子的數(shù)目。上述各個原子分布函數(shù)中，原子密度p(r)和原子徑向分布函數(shù)RDF(r)有明確物理意義，G(r)的物理意義雖然不明確，但它同RDF(r)一樣能反映非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特征，對體系作x射線衍射測量得到結(jié)構(gòu)因數(shù)S(Q)，再作傅立葉變換即可獲得G(r)，因此它也常被用于表征非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

X射線衍射技術(shù)是研究非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的基本手段。測量非晶結(jié)構(gòu)的干涉散射強度I(Q)和結(jié)構(gòu)因數(shù)S(Q)后，經(jīng)過適當?shù)母盗⑷~變換就可以得到約化徑向分布函數(shù)G(r)。

非晶態(tài)合金(英文名:amorphous state alloy)是近30年出現(xiàn)的具有新型微觀組織結(jié)構(gòu)的金屬功能材料，其制取工藝是將熔融的母合金以大于每秒一百萬度的冷卻速度快速凝固而成，其原子在凝固過程中來不及按周期排列，故形成了長程無序的非結(jié)晶狀態(tài)，與通常情況下金屬材料的原子排列呈周期性和對稱性不同，因而稱之為非晶合金。

一種沒有原子三維周期性排列的金屬或合金固體。

它在超過幾個原子間距范圍以外，不具有長程有序的晶體點陣排列。

和普通晶態(tài)金屬與合金相比，非晶態(tài)金屬與合金具有較高的強度、良好的磁學(xué)性能和抗腐蝕性能等，通常又稱之為金屬玻璃或玻璃態(tài)合金?？刹糠痔娲桎摗⒉Ｄ辖鸷丸F氧體等軟磁材料，且綜合性能高于這些材料。

最早發(fā)現(xiàn)非晶合金的是1940年左右由美國科學(xué)家通過電解做出來的，后來美國另外一個科學(xué)家通過液體凝固做出了金-硅非晶合金。到上世紀七八十年代，許多的科學(xué)家研究非晶合金，但是一直沒有太大的進展，到1990年，我國留學(xué)生張濤在日本留學(xué)期間，發(fā)現(xiàn)了大塊非晶材料。從此，大塊非晶材料有了很快的發(fā)展，如今國內(nèi)高校和科研機構(gòu)對金屬非晶材料的研究比較多，科研成果也比較突出。

基于非晶金屬材料有很好的性能，大部分的研究是將大塊非晶如何應(yīng)用于生產(chǎn)。但由于非晶合金的體系不是很完善，種類也不是很多，也有一大部分科研團隊在開發(fā)新的非晶態(tài)合金。

金屬能不能產(chǎn)生非晶態(tài)

金屬能不能產(chǎn)生非晶態(tài)呢?這一直是近代科學(xué)家著重破譯的一道難題?？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?？梢姡a(chǎn)生非晶態(tài)合金的技術(shù)關(guān)鍵之一，就是如何快速冷卻的問題。 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)的高溫鋼水噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥上，即單輥旋轉(zhuǎn)淬冷法。鋼水以每秒百萬度的速度迅速冷卻，僅用千分之一秒的時間就將1300℃的鋼水降到200℃以下，形成非晶帶材。 發(fā)達國家對非晶合金制造技術(shù)一直嚴格實施技術(shù)封鎖。我國科學(xué)家歷經(jīng)近二十年的不懈努力，終于在"九五"期間，實現(xiàn)了在制備非晶態(tài)合金領(lǐng)域的技術(shù)跨越，掌握了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。并在非晶態(tài)合金產(chǎn)業(yè)化方面取得了突破性的進展，形成了年產(chǎn)4000噸的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。填補了我國冶金工業(yè)中的一項技術(shù)空白。 非晶態(tài)合金與晶態(tài)合金相比，在物理性能、化學(xué)性能和機械性能方面都發(fā)生了顯著的變化。以鐵元素為主的非晶態(tài)合金為例，它具有高飽和磁感應(yīng)強度和低損耗的特點?，F(xiàn)代工業(yè)多用它制造配電變壓器鐵芯。 目前我國已能夠根據(jù)市場需要，生產(chǎn)不同規(guī)格的非晶帶材，寬度可達220mm。這種非晶態(tài)合金制造的變壓器與傳統(tǒng)的硅鋼鐵芯的變壓器相比，空載損耗要降低60%~80%，具有明顯的節(jié)能效果。如果把我國現(xiàn)有的配電變壓器全部換成非晶態(tài)合金變壓器，那么每年可為國家節(jié)約電90億千瓦小時，這就意味著，每年可以少建一座100萬千瓦火力發(fā)電廠，減少燃煤364萬噸，減少二氧化碳等廢氣排放900多萬立方米。從這個意義上講，非晶態(tài)合金被人們譽為"綠色材料"。 此外非晶態(tài)合金材料，還被廣泛地應(yīng)用于電子、航空、航天、機械、微電子等眾多領(lǐng)域中，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，增強抗干擾能力。微型鐵芯可大量應(yīng)用于綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)ISDN中的變壓器。非晶條帶用來制造超級市場和圖書館防盜系統(tǒng)的傳感器標簽。非晶合金神奇的功效，具有廣闊的市場前景。在第十個五年計劃期間:我國的科技工作者必將在非晶態(tài)合金技術(shù)領(lǐng)域做出更加令世人矚目的貢獻。

非晶態(tài)合金傳感器技術(shù)與應(yīng)用

關(guān)鍵詞:非晶態(tài)合金 傳感器 趙英俊

分類: 工業(yè)技術(shù) >自動化元件、部件