非晶態材料

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　　非晶態材料是指用人工方法將晶體材料加工成具有特殊功能的非晶態物質。

　　一般來說，非晶態物質具有以下基本特征：不具有長程有序的晶格結構；具有高10¹³泊以上的粘滯繫數；在某一窄的溫區內能夠發生明顯的結構相變。和晶態物質相比，非晶態物質在基礎理論、微觀結構、巨集觀特性以及新材料、新工藝等方面尚有許多問題有待解決，因此，對非晶態物質的研究和探索，是一個十分活躍的前沿領域。

　　非晶態材料是一種新型的功能材料，其種類包括傳統的氧化物玻璃、已經廣泛應用的非晶態高分子聚合物、以及發展迅速的非晶態金屬、非晶態半導體、非晶態離子導體、非晶態超導體等。

　　目前，非晶態材料的製備工藝主要以快冷凝固技術為主。快冷凝固又包括急冷技術和大過冷技術。急冷技術就是將熔融液態金屬以液滴形式或以柱狀流、帶狀流形式傳遞到高導熱能力介質上，以獲得極高的冷卻速度，從而得到非晶態金屬物質。這種技術包括液滴噴射技術、急冷塊體高速旋轉技術(CBMS技術)、雙輥快淬技術、平面流動鑄造技術(PFC技術)、熔 融金屬拉拔技術以及Pisto-Anvil技術等；大過冷技術包括多級霧化技術等。而其他方法則包括機械合金化(MA)、機械球磨(MM)、氣相沉積法等。在這些發展的製備技術中，尤以CBMS、PFC、MM、MA最為引人註目而且富有代表性，併為多數實驗室和企業研究與採用。

　　非晶態合金自從問世以來，由於其性能上的特色，引起冶金工作者們極大的研究興趣，目前，非晶態合金已經進入應用領域，有著相當廣泛的應用前景，下麵結合非晶態材料的性能特點，介紹一下其主要應用。

　　1.良好的機械性能

　　研究表明，非晶態合金的強度、韌性和耐磨性明顯高於普通鋼鐵材料，用非晶態材料和其他材料可以製備成複合材料，也可以單獨製成耐磨器件。例如，拉絲後纖維化的非晶態Fe—Ta—Si—B(鐵鉭硅硼)合金線材，拉伸強度高達400 kg／mm²,為鋼琴絲的1．4倍，是一般鋼絲的10倍。因此，它可以用來製作高爾夫球桿、釣魚桿等，此外，還可以用來製作高強度的火箭殼體。

　　2.優異的化學性能

　　研究表明，非晶態合金對某些化學反應具有明顯得催化作用，可以用作化工催化劑，如Fe₂₀Ni₆₀B₂₀非晶態合金；某些非晶態合金通過化學反應可以吸收和放出氫，可以用作儲氫材料。由於沒有晶粒和晶界，非晶態合金比晶態合金更加耐磨蝕，如Fe₇₀Cr₁₀P₁₃C₇、Ni—Cr—P₁₃B₇等。因此，它可以成為化工、海洋等一些易腐蝕的環境中應用設備的首選材料。實驗表明，含有一定量的Cr和P的非晶態合金具有極其優異的抗腐蝕性能，特別是抗孔蝕性能。例如，Fe₈₀P₁₃C₁₇合金本來耐腐蝕性能較差，但添加第二種金屬元素(如Cr、Ni、Co等)後，成為非晶態合金後，耐蝕性能大大增加。一般說來，非晶態鐵基合金按添加元素Co 、Ni、W 、Mo、Cr的順序，耐腐蝕能力一次提高，其原因是由於這些元素能夠在合金錶明迅速形成厚的均勻的高抗腐蝕的鈍化膜保護錶面保護層。

　　非晶態合金鐵芯還廣泛地應用在各種高頻功率器件和感測器件上，用非晶態合金鐵芯變壓器製造的高頻逆變焊機，大大提高了電源工作頻率和效率，焊機體積成倍縮小。此外，非晶磁性材料還製成立體聲系統的磁頭和非晶態小磁芯，從而使電子器件朝著高效、節能、小型化方向發展。將非晶態合金進行退火處理晶化以後，還可制得塊體納米磁性材料或微晶材料。非晶合金作為軟磁材料有很廣闊的應用前景，但也不能忽視存在的問題：①溫度對磁的不穩定性影響較大，尤其當開始出現結晶時，矯頑力增加，鐵損及磁導率也隨之發生變化；②非晶態軟磁合金的高磁導率性能只停留在鐵鎳合金水平上；③非晶軟磁合金作電力設備時，不能製造出很寬的薄板，批量生產成本高，飽和磁感應強度比不鏽鋼低。

　　總之，非晶合金在工業應用方面較傳統結構材料有著非常多的優勢。許多國家已經開始大力發展這個新興工業。1989年，美國的Allied公司建立廠年產6萬t的非晶薄帶生產線，一生產配電變壓器用的非晶薄帶為主。日本、西歐主要在高頻開關電源家用電器及電子器件方面應用較多。我國的非晶合金的研究工作從1976年開始，現已初步形成具有中國特色的非晶態合金科研和應用體系，達到國際先進水平，共取得100多項科研成果和20多項專利。目前，我國每年都有百萬隻非晶鐵芯用於漏電開關。

　　3.優異的軟磁學性能

　　非晶態合金結構的無序性決定了金屬玻璃在外磁場作用下容易磁化，當外磁場除去後又很快消失，而且磁阻小。這說明非晶態合金具有優異的軟磁學性能——磁滯回線細長，磁導率高，矯頑力低，鐵芯損耗低，容易磁化，也容易去磁。1980年6月，美國的愛理德·西格諾公司首先研製成功非晶態鐵芯變壓器，從而開創了非晶態合金最主要的應用領域——軟磁性能的應用。其中最有經濟效益的是以鐵基合金玻璃作為磁學性能材料來製造變壓器。採用非晶合金作為鐵芯材料的配電變壓器，其空載損耗可比同容量的硅鋼芯變壓器60％～80％。美國通過使用這種變壓器每年可節約將近50×109KWH的空載損耗，節能產生的經濟效益約為35億美元。同時，減少電力損耗也就降低了發電的燃料消耗，從而減少諸如Co₂、S0₂、NO_x等有害氣體的排放量。

　　總之，非晶態材料是一種大有前途的新材料，但也有不盡如人意之處。其缺點主要表現在兩方面，①由於主要是採用急冷法製備材料，使其厚度受到；②熱力學上不穩定，受熱有晶化傾向。另外，由於使用RSP技術生產非晶合金的規模太小以及只限於某些化學成分，並且高的冷卻速度就會限制產品的大小和形狀。目前，非晶合金的研究方向傾向於：

　　①通過非晶相的晶化獲得納晶相，從而製造一種非晶相為基體的納晶複合材料，旨在得到好的物理性能，如獲得好的軟磁性能合金(Fe—Si—B—Nb—Cu合金，Finement合金)：或者得到好的力學性能，如Al和Mg基非晶合金中的納晶相使得該種複合材料具有極高的拉伸強度。

　　②具有大過冷液體區間和大的玻璃化形成能力的新型系列合金研發。

　　③探索玻璃化形成能力的原因。

　　④大塊體非晶態合金的製備技術的發明。