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金属中的异类——非晶金属,中国建材网,cnprofit.com
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金属中的异类——非晶金属
2018年12月10日    阅读量:6080    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

一、什么是非晶金属


非晶金属是指在原子尺度上结构无序的一种金属材料。


大部分金属材料具有很高的有序结构,原子呈现周期性排列(晶体结构金属),表现为平移对称性,或者是旋转对称,镜面对称,角对称(准晶体结构金属)等。而与此相反,非晶金属不具有任何的长程有序结构,仅具有短程有序和中程有序(中程有序正在研究中)中国建材网cnprofit.com


一般来说,具有这种无序结构的非晶金属可以从其液体状态直接冷却得到,故又称为“玻璃态”。所以,非晶金属又称为“金属玻璃”(Metallic Glass)、“玻璃态金属”(Glassy metal)、“液态金属”(Liquid metal)或大块金属玻璃(Bulk Metallic Glass,BMG),BMG是一种具有较低冷却速度极限的非晶金属,该种金属合金可以制备出尺度超过1毫米的金属片或金属圆柱。


制备非晶金属的方法包括:物理气相沉积、固相烧结法、离子辐射法、甩带法(连续铸造法其中一种)和机械法。


对于铁基非晶金属而言,由于其不具备长程有序结构,其磁化及消磁均较一般磁性材料容易。因此,用铁基非晶金属制作磁芯的非晶合金变压器,其铁损(即空载损耗)要比常规采用电工钢作为铁芯的传统变压器低约70-80%,对电网的节能降耗有很好的作用。



二、非晶金属的发展历史


1960年,W. Klement (Jr.), Willens 和 Duwez 首次制备并观察到了世界上第一块金属玻璃材料(Au75Si25)。早期发现,具有玻璃形成能力的合金都是在急速冷却下制备(玻璃化临界冷却速度106K/s以上),以阻碍结晶过程的发生。为了达到冷却速率阈值,这类材料的形貌尺寸在某个维度上要足够小,典型的如带状、箔状、线状等,其厚度要小于100微米。


1969年,发现含77.5% 钯、6% 铜、16.5%硅合金的玻璃化临界冷却速度仅在 100 到 1000 K/s之间。


1976年,H. Liebermann 和 C. Graham 发明了一类新型非晶金属制备方法,通过单辊甩带机实现骤冷。实验中采用的合金由铁、镍、磷和硼构成。这种材料被称为Metglas,它于20世纪80年代初商业化,用于低损耗配电变压器(非晶金属变压器)。Metglas-2605是由80%铁和20%硼组成,居里温度为373℃,室温下饱和磁化强度为1.56特斯拉(T)。


1980年代初,通过热冷循环处理后的表面刻蚀,Pd55Pb22.5Sb22.5合金形成的大块金属玻璃直径可达到5毫米。


日本东北大学(Tohoku University)和加州理工学院的研究了基于镧,镁,锆,钯,铁,铜和钛的多组分非晶合金,其玻璃化临界冷却速率在1 K / s至100 K / s之间,与传统的氧化物玻璃基本相当。


1988年,发现镧系、铝系和铜系合金有着较高的玻璃形成能力。含有钪的铝基金属玻璃的抗拉强度可达到约1500MPa。


1990年代,科学家又开发了新的金属玻璃合金,以低至1K/s的冷却速率形成金属玻璃。这些冷却速率采用普通的金属模具浇铸法即可实现。这些“块状”非晶合金铸件的厚度可达数厘米(最大厚度取决于合金种类),同时保持非晶结构。金属玻璃形成能力最强的合金是锆系和钯系合金。铁系、钛系、铜系、镁系等合金也具备玻璃形成能力。许多非晶合金的形成借助于被称为“混合效应”的原理。非晶合金含有许多不同的元素(通常是四种或更多种),当以足够快的速率冷却时,合金的组分原子在它们的迁移速率停止之前,无法轻易地将它们自身调整成平衡结晶态。通过这种方式,原子的随机无序状态被“锁定”。


金属(A)通过感应线圈(I)熔化并受气体压力(P)推动,通过坩埚(K)中的小孔喷射在旋转鼓(B)上,在那里快速冷却以形成带状物-非晶金属(C)


1992年,商用非晶金属(合金)Vitreloy 1(41.2%Zr,13.8%Ti,12.5%Cu,10%Ni和22.5%Be)在加州理工学院开发成功,作为能源部和NASA航空航天材料新研究的一部分,同时,在此基础上开发很多同族的非晶合金。


2004年,大块非晶钢(BMG)由两个研究小组成功生产:一组在美国橡树岭国家实验室,他们的产品被称为“玻璃钢”,另一组在弗吉尼亚大学,他们产品被称为“DARVA-Glass 101”。BMG产品在室温下是没有磁性的,并且比传统钢材的强度高,当然,BMG材料在引入公共或军事用途之前,仍有很长的研究和开发过程。


2018年,SLAC国家加速器实验室,国家标准与技术研究院(NIST)和西北大学的一个团队报告了使用人工智能方法在一年内预测和评估20000种不同类似非晶金属合金的样品的结果。他们的方法有望加快新型非晶金属合金的研究和上市时间。


三、非晶金属的性能


从化学成分的组成来看,非晶金属通常不是纯金属而是合金。非晶金属合金组分的原子尺寸上,通常存在明显不同,从而可在熔融状态下获得的较低自由体积(因此其粘度比其他晶体金属和合金高出几个数量级)。熔融状态下,非晶金属的高粘度,可防止组分原子的充分移动,阻碍其形成有序晶格。非晶金属的这种材料结构,还有助于获得其冷却期间的低收缩特性,以及高的塑性变形抗力。非晶金属没有晶界的存在(晶界通常是晶体材料的薄弱点),从而能获得更好的耐磨性和耐蚀性。非晶金属虽然从技术特点上讲是一种“玻璃”,但它比氧化物玻璃和陶瓷更坚韧且更不易碎。


非晶金属的导热率低于普通晶体金属的导热率。非晶金属显微结构的形成主要依赖于快速冷却,但这也限制了非晶金属产品的最大厚度。


为了能在较慢的冷却速度下获得非晶结构,非晶合金必须由三种以上组分构成,这会导致晶胞的势能升高,从而使其形成晶胞的机会降低。非晶金属合金组分的原子半径必须存在明显差异(不低于12%),才能获得高的填充密度和低的自由体积。非晶金属组分的组合,应使之具有负的混合热,以抑制晶体成核,并延长熔融金属在过冷状态下的保持时间。


合金元素硼,硅,磷和非晶金属组分中其他具有铁磁性的金属组分(铁,钴,镍)混合后,制备获得的非晶金属(金属玻璃)具有高磁化率,低矫顽力和高电阻率的特征。通常,非晶金属的导电率与刚好高于熔点的熔融金属的导电率相同。当非晶金属处于交变磁场中时,高电阻率有助于降低涡流损,这个特性对于变压器磁芯具有重大意义。非晶金属的低矫顽力也有助于降低变压器磁芯的能量损耗。


与普通多晶金属合金相比,非晶金属具有更高的屈服强度和更高的弹性应变极限,但它们的延展性和疲劳强度也相对较低。非晶金属还具有多种潜在有用的特性,例如,与具有相同化学成分的晶体合金相比,它们往往比更强大的机械性能,可承受比晶体合金更大的弹性变形。非晶金属的机械强度与它们独特的非晶结构相关,即非晶金属不存在会劣化晶体合金强度的任何缺陷(例如位错)。有一种称为Vitreloy非晶金属,其抗拉强度几乎是高牌号金属钛的两倍。


由于室温下的金属玻璃不具有延展性,在受到拉伸时往往会发生突然失效现象,这限制了非晶金属在可靠性要求比较高的场景中的应用,这是因为非晶金属的失效往往没有任何先兆。为改变这种现状,科学家对生产由包含树枝状颗粒物或韧性结晶金属纤维的非晶金属组成的金属基复合材料表现出浓厚的兴趣。


大块非晶合金最有用的特性,正是其玻璃性,这意味着它们在加热时会软化和流动。这使其易于加工,例如通过注塑模,这与聚酯的加工方式大致相同。因此,非晶合金已在运动设备,医疗设备和电子设备上获得商业化应用。


另外,通过高速氧燃料运载技术,已可将非晶金属薄膜作为保护涂层沉积到零件表面。


四、非晶金属的分类


材料科学家从合金的成分、制备工艺和应用性能等方面出发,已经开发出一些非晶金属(合金)体系。


(1)铁基非晶合金。

铁基非晶合金的主要成分为Fe、Si、B、C、P。其特点是磁性强,软磁性能优于电工钢片,价格便宜,最适合替代电工钢片,用作中低频变压器的铁芯。


(2)铁镍基非晶合金。

铁镍基非晶合金的主要成分为Fe、Ni、Si、B、P。其特点是磁性比较弱,但磁导率比较高,价格较贵,可以代替电工钢片或者坡莫合金(Fe-Ni合金),用于高要求的中低频变压器铁芯。


(3)钴基非晶合金。

钴基非晶合金的主要成分为Co、Fe、Si、B。其特点是磁性较弱.但磁导率极高,价格很贵,一般替代坡莫合金和铁氧体,用于要求严格的军工电源中的变压器、电感等。


(4)铁基纳米晶合金(超微晶合金)。

铁基纳米晶合金的主要成分为Fe、Si、B和少量的Cu、Mo、Nb等,其中Cu和Nb是获得纳米晶结构必不可少的元素。它们先被制成非晶带材,然后经适当退火.形成微晶和非晶的混合组织。这类合金的突出优点是兼备了铁基非晶合金的高磁感和钴基非晶合金的高磁导率、低损耗,是成本低廉的铁基材料。它可替代钴基非晶合金、微晶态坡莫合金和铁氧体,在高频电力电子和电子信息领域中获得广泛应用,以达到减小体积、降低成本等目的。


五、非晶金属的应用


目前,基于某些铁磁性非晶金属的特殊的低磁损特性,非晶金属的主要用途是制造工频和中高频高效变压器的磁芯。


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非晶金属是一种非常脆的材料,很难冲压成电机的磁芯叠片。


利用铁磁性非晶金属的磁性特点,可用于制造商品的电子监管标签(例如防盗无源ID标签)。


非晶金属的低软化温度(较低的玻璃化温度),可使纳米颗粒复合物(例如碳纳米管)和BMG的制备方法变得简单,可在10纳米到几毫米的极小尺寸范围内对非晶金属进行图案化处理,这或可用于解决纳米压印光刻中昂贵的硅制纳米模易裂的问题,用非晶金属制成的纳米模具不仅易于制造,而且比硅模具更耐用。


与常规聚合物相比,BMG具有优异的电子学,热学和机械性能,使其成为电子应用(如场致电子发射器件)级纳米复合材料的良好选择。


非晶金属Ti40Cu36Pd14Zr10被认为是非致癌的,比钛强度大约三倍,其弹性模量与骨骼几乎相当。它具有高耐磨性,不会产生磨损粉末。该合金在凝固时不发生收缩。可通过使用激光脉冲进行表面改性,生成生物可附着的表面结构,从而可以更好地与骨骼连接。


利哈伊大学(Lehigh University)正在研究快速冷却获得的非晶金属Mg60Zn35Ca5,作为用于固定骨折的生物材料,例如植入骨骼中的螺钉,针或板。与传统的钢或钛不同,这种材料以每月大约1毫米的速度溶解在生物体中,并被骨组织取代。这种速度可通过改变锌的含量来调节。


六、非晶金属的建模与理论研究进展


大块金属玻璃(BMG)已完成原子尺度模拟(在密度泛函理论框架内)建模,这种建模有点类似于高熵合金的建模。这使得BMG的行为,稳定性和更多属性变得可以预测。新的BMG系统可以通过某个定制系统,或某个特定用途(例如骨替换或航空发动机部件)经验数据来验证。


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