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金屬中的異類——非晶金屬
2018年12月10日    閱讀量:8884    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

一、什么是非晶金屬


非晶金屬是指在原子尺度上結構無序的一種金屬材料。


大部分金屬材料具有很高的有序結構,原子呈現周期性排列(晶體結構金屬),表現為平移對稱性,或者是旋轉對稱,鏡面對稱,角對稱(準晶體結構金屬)等。而與此相反,非晶金屬不具有任何的長程有序結構,僅具有短程有序和中程有序(中程有序正在研究中)中國建材網cnprofit.com


一般來說,具有這種無序結構的非晶金屬可以從其液體狀態直接冷卻得到,故又稱為“玻璃態”。所以,非晶金屬又稱為“金屬玻璃”(Metallic Glass)、“玻璃態金屬”(Glassy metal)、“液態金屬”(Liquid metal)或大塊金屬玻璃(Bulk Metallic Glass,BMG),BMG是一種具有較低冷卻速度極限的非晶金屬,該種金屬合金可以制備出尺度超過1毫米的金屬片或金屬圓柱。


制備非晶金屬的方法包括:物理氣相沉積、固相燒結法、離子輻射法、甩帶法(連續鑄造法其中一種)和機械法。


對于鐵基非晶金屬而言,由于其不具備長程有序結構,其磁化及消磁均較一般磁性材料容易。因此,用鐵基非晶金屬制作磁芯的非晶合金變壓器,其鐵損(即空載損耗)要比常規采用電工鋼作為鐵芯的傳統變壓器低約70-80%,對電網的節能降耗有很好的作用。



二、非晶金屬的發展歷史


1960年,W. Klement (Jr.), Willens 和 Duwez 首次制備并觀察到了世界上第一塊金屬玻璃材料(Au75Si25)。早期發現,具有玻璃形成能力的合金都是在急速冷卻下制備(玻璃化臨界冷卻速度106K/s以上),以阻礙結晶過程的發生。為了達到冷卻速率閾值,這類材料的形貌尺寸在某個維度上要足夠小,典型的如帶狀、箔狀、線狀等,其厚度要小于100微米。


1969年,發現含77.5% 鈀、6% 銅、16.5%硅合金的玻璃化臨界冷卻速度僅在 100 到 1000 K/s之間。


1976年,H. Liebermann 和 C. Graham 發明了一類新型非晶金屬制備方法,通過單輥甩帶機實現驟冷。實驗中采用的合金由鐵、鎳、磷和硼構成。這種材料被稱為Metglas,它于20世紀80年代初商業化,用于低損耗配電變壓器(非晶金屬變壓器)。Metglas-2605是由80%鐵和20%硼組成,居里溫度為373℃,室溫下飽和磁化強度為1.56特斯拉(T)。


1980年代初,通過熱冷循環處理后的表面刻蝕,Pd55Pb22.5Sb22.5合金形成的大塊金屬玻璃直徑可達到5毫米。


日本東北大學(Tohoku University)和加州理工學院的研究了基于鑭,鎂,鋯,鈀,鐵,銅和鈦的多組分非晶合金,其玻璃化臨界冷卻速率在1 K / s至100 K / s之間,與傳統的氧化物玻璃基本相當。


1988年,發現鑭系、鋁系和銅系合金有著較高的玻璃形成能力。含有鈧的鋁基金屬玻璃的抗拉強度可達到約1500MPa。


1990年代,科學家又開發了新的金屬玻璃合金,以低至1K/s的冷卻速率形成金屬玻璃。這些冷卻速率采用普通的金屬模具澆鑄法即可實現。這些“塊狀”非晶合金鑄件的厚度可達數厘米(最大厚度取決于合金種類),同時保持非晶結構。金屬玻璃形成能力最強的合金是鋯系和鈀系合金。鐵系、鈦系、銅系、鎂系等合金也具備玻璃形成能力。許多非晶合金的形成借助于被稱為“混合效應”的原理。非晶合金含有許多不同的元素(通常是四種或更多種),當以足夠快的速率冷卻時,合金的組分原子在它們的遷移速率停止之前,無法輕易地將它們自身調整成平衡結晶態。通過這種方式,原子的隨機無序狀態被“鎖定”。


金屬(A)通過感應線圈(I)熔化并受氣體壓力(P)推動,通過坩堝(K)中的小孔噴射在旋轉鼓(B)上,在那里快速冷卻以形成帶狀物-非晶金屬(C)


1992年,商用非晶金屬(合金)Vitreloy 1(41.2%Zr,13.8%Ti,12.5%Cu,10%Ni和22.5%Be)在加州理工學院開發成功,作為能源部和NASA航空航天材料新研究的一部分,同時,在此基礎上開發很多同族的非晶合金。


2004年,大塊非晶鋼(BMG)由兩個研究小組成功生產:一組在美國橡樹嶺國家實驗室,他們的產品被稱為“玻璃鋼”,另一組在弗吉尼亞大學,他們產品被稱為“DARVA-Glass 101”。BMG產品在室溫下是沒有磁性的,并且比傳統鋼材的強度高,當然,BMG材料在引入公共或軍事用途之前,仍有很長的研究和開發過程。


2018年,SLAC國家加速器實驗室,國家標準與技術研究院(NIST)和西北大學的一個團隊報告了使用人工智能方法在一年內預測和評估20000種不同類似非晶金屬合金的樣品的結果。他們的方法有望加快新型非晶金屬合金的研究和上市時間。


三、非晶金屬的性能


從化學成分的組成來看,非晶金屬通常不是純金屬而是合金。非晶金屬合金組分的原子尺寸上,通常存在明顯不同,從而可在熔融狀態下獲得的較低自由體積(因此其粘度比其他晶體金屬和合金高出幾個數量級)。熔融狀態下,非晶金屬的高粘度,可防止組分原子的充分移動,阻礙其形成有序晶格。非晶金屬的這種材料結構,還有助于獲得其冷卻期間的低收縮特性,以及高的塑性變形抗力。非晶金屬沒有晶界的存在(晶界通常是晶體材料的薄弱點),從而能獲得更好的耐磨性和耐蝕性。非晶金屬雖然從技術特點上講是一種“玻璃”,但它比氧化物玻璃和陶瓷更堅韌且更不易碎。


非晶金屬的導熱率低于普通晶體金屬的導熱率。非晶金屬顯微結構的形成主要依賴于快速冷卻,但這也限制了非晶金屬產品的最大厚度。


為了能在較慢的冷卻速度下獲得非晶結構,非晶合金必須由三種以上組分構成,這會導致晶胞的勢能升高,從而使其形成晶胞的機會降低。非晶金屬合金組分的原子半徑必須存在明顯差異(不低于12%),才能獲得高的填充密度和低的自由體積。非晶金屬組分的組合,應使之具有負的混合熱,以抑制晶體成核,并延長熔融金屬在過冷狀態下的保持時間。


合金元素硼,硅,磷和非晶金屬組分中其他具有鐵磁性的金屬組分(鐵,鈷,鎳)混合后,制備獲得的非晶金屬(金屬玻璃)具有高磁化率,低矯頑力和高電阻率的特征。通常,非晶金屬的導電率與剛好高于熔點的熔融金屬的導電率相同。當非晶金屬處于交變磁場中時,高電阻率有助于降低渦流損,這個特性對于變壓器磁芯具有重大意義。非晶金屬的低矯頑力也有助于降低變壓器磁芯的能量損耗。


與普通多晶金屬合金相比,非晶金屬具有更高的屈服強度和更高的彈性應變極限,但它們的延展性和疲勞強度也相對較低。非晶金屬還具有多種潛在有用的特性,例如,與具有相同化學成分的晶體合金相比,它們往往比更強大的機械性能,可承受比晶體合金更大的彈性變形。非晶金屬的機械強度與它們獨特的非晶結構相關,即非晶金屬不存在會劣化晶體合金強度的任何缺陷(例如位錯)。有一種稱為Vitreloy非晶金屬,其抗拉強度幾乎是高牌號金屬鈦的兩倍。


由于室溫下的金屬玻璃不具有延展性,在受到拉伸時往往會發生突然失效現象,這限制了非晶金屬在可靠性要求比較高的場景中的應用,這是因為非晶金屬的失效往往沒有任何先兆。為改變這種現狀,科學家對生產由包含樹枝狀顆粒物或韌性結晶金屬纖維的非晶金屬組成的金屬基復合材料表現出濃厚的興趣。


大塊非晶合金最有用的特性,正是其玻璃性,這意味著它們在加熱時會軟化和流動。這使其易于加工,例如通過注塑模,這與聚酯的加工方式大致相同。因此,非晶合金已在運動設備,醫療設備和電子設備上獲得商業化應用。


另外,通過高速氧燃料運載技術,已可將非晶金屬薄膜作為保護涂層沉積到零件表面。


四、非晶金屬的分類


材料科學家從合金的成分、制備工藝和應用性能等方面出發,已經開發出一些非晶金屬(合金)體系。


(1)鐵基非晶合金。

鐵基非晶合金的主要成分為Fe、Si、B、C、P。其特點是磁性強,軟磁性能優于電工鋼片,價格便宜,最適合替代電工鋼片,用作中低頻變壓器的鐵芯。


(2)鐵鎳基非晶合金。

鐵鎳基非晶合金的主要成分為Fe、Ni、Si、B、P。其特點是磁性比較弱,但磁導率比較高,價格較貴,可以代替電工鋼片或者坡莫合金(Fe-Ni合金),用于高要求的中低頻變壓器鐵芯。


(3)鈷基非晶合金。

鈷基非晶合金的主要成分為Co、Fe、Si、B。其特點是磁性較弱.但磁導率極高,價格很貴,一般替代坡莫合金和鐵氧體,用于要求嚴格的軍工電源中的變壓器、電感等。


(4)鐵基納米晶合金(超微晶合金)。

鐵基納米晶合金的主要成分為Fe、Si、B和少量的Cu、Mo、Nb等,其中Cu和Nb是獲得納米晶結構必不可少的元素。它們先被制成非晶帶材,然后經適當退火.形成微晶和非晶的混合組織。這類合金的突出優點是兼備了鐵基非晶合金的高磁感和鈷基非晶合金的高磁導率、低損耗,是成本低廉的鐵基材料。它可替代鈷基非晶合金、微晶態坡莫合金和鐵氧體,在高頻電力電子和電子信息領域中獲得廣泛應用,以達到減小體積、降低成本等目的。


五、非晶金屬的應用


目前,基于某些鐵磁性非晶金屬的特殊的低磁損特性,非晶金屬的主要用途是制造工頻和中高頻高效變壓器的磁芯。


金屬中的異類——非晶金屬 中國建材網,cnprofit.com

非晶金屬是一種非常脆的材料,很難沖壓成電機的磁芯疊片。


利用鐵磁性非晶金屬的磁性特點,可用于制造商品的電子監管標簽(例如防盜無源ID標簽)。


非晶金屬的低軟化溫度(較低的玻璃化溫度),可使納米顆粒復合物(例如碳納米管)和BMG的制備方法變得簡單,可在10納米到幾毫米的極小尺寸范圍內對非晶金屬進行圖案化處理,這或可用于解決納米壓印光刻中昂貴的硅制納米模易裂的問題,用非晶金屬制成的納米模具不僅易于制造,而且比硅模具更耐用。


與常規聚合物相比,BMG具有優異的電子學,熱學和機械性能,使其成為電子應用(如場致電子發射器件)級納米復合材料的良好選擇。


非晶金屬Ti40Cu36Pd14Zr10被認為是非致癌的,比鈦強度大約三倍,其彈性模量與骨骼幾乎相當。它具有高耐磨性,不會產生磨損粉末。該合金在凝固時不發生收縮。可通過使用激光脈沖進行表面改性,生成生物可附著的表面結構,從而可以更好地與骨骼連接。


利哈伊大學(Lehigh University)正在研究快速冷卻獲得的非晶金屬Mg60Zn35Ca5,作為用于固定骨折的生物材料,例如植入骨骼中的螺釘,針或板。與傳統的鋼或鈦不同,這種材料以每月大約1毫米的速度溶解在生物體中,并被骨組織取代。這種速度可通過改變鋅的含量來調節。


六、非晶金屬的建模與理論研究進展


大塊金屬玻璃(BMG)已完成原子尺度模擬(在密度泛函理論框架內)建模,這種建模有點類似于高熵合金的建模。這使得BMG的行為,穩定性和更多屬性變得可以預測。新的BMG系統可以通過某個定制系統,或某個特定用途(例如骨替換或航空發動機部件)經驗數據來驗證。


標簽:建材百科今日頭條建材應用技術中心金屬材料
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