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性能独特的金属玻璃——非晶合金
2021年08月18日    阅读量:25965    新闻来源:深圳资讯网 szftx.com  |  投稿

非晶态物质被认为是和气态、液态、固态相并立的第四种常规物质状态,而玻璃是最典型、传统的非晶固体,因此人们习惯用玻璃来代称非晶固体。


作为兼有玻璃、金属,固体和液体特性的新型金属材料,非晶合金,即“金属玻璃”,具备多种优异性能及其他固体材料不具备的特殊性质,已成为发展潜力很大的新材料。

性能独特的金属玻璃——非晶合金 深圳资讯网,szftx.com

非晶合金带材

什么是非晶?


宏观的固体材料是由大量的微观粒子组合在一起形成的,于是学术界就按照固体材料中微观粒子的排列方式将材料分成两大类:粒子排列十分规则的晶态物质(其粒子就好比士兵排成的方阵那样整齐,这个特点被称为长程有序)和粒子排列不具有长程有序性的非晶物质(其粒子排列好比大街上熙熙攘攘、无序聚集在一起的人群)涂料在线coatingol.com


晶态和非晶态原子结构的对比图

无序非晶态结构(左)、有序晶态结构(右)


非晶合金就是由超急冷凝固,原子来不及有序排列结晶得到的固态合金,是长程无序结构,没有晶态合金的晶粒、晶界存在。


把高温下熔化了的液体金属,以极快的速度冷却,使金属原子来不及按它的常规编排结晶,还处于不整齐、杂乱无章的状态便被“冻结”了,因此,出现了类似玻璃的奇异特性。非晶合金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。


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。


普通金属与非晶合金的微观排列对比

在非晶合金的开发方面,目前已在包括Pd、Pt、Au、Mg、Ca、Zr、Ti、Hf、Cu、Fe、Co、Ni、和稀土(如La、Nd、Ce)基等在内的数十种合金体系,目前非晶合金一共有非晶薄带、非晶粉末、块体非晶这几种形式。


目前应用较广的非晶合金常见分类为:


结构材料:锆基大块非晶,用于高强结构件的替代,实现不锈钢的压铸效果,替代铝、镁、锌合金压铸件及不锈钢粉末冶金、铸造+CNC产品。


磁性材料:以铁基非晶、纳米晶为代表的磁性功能材料,主要应用于替换磁性材料铁氧体和硅钢片,提高变压器或者感应线圈转换效率,降低发热能耗。


非晶合金的性能特点


01

软磁性能

与传统的金属磁性材料相比,由于非晶合金原子排列无序,没有晶体的各向异性,而且电阻率高,因此具有高的磁导率、低的损耗,是优良的软磁材料,此外,还具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低矫顽力和低损耗等特性。


目前比较成熟的非晶软、磁合金主要有铁基、钴基和铁镍基3大类,它们都具,有比较优异的软磁性能,可作为高频变压器、传感器、扼流器和互感器等广泛应用于电力电子领域;


02

力学性能

与晶体材料相比,非晶合金的强度、硬度、韧性和耐磨性较好,抗拉强度也较高,其硬度(HV)的大小与所添加元素种类、数量有密切的关系,可高达1400,并且一些非晶合金的强度可达到3920MPa。此外,因为非晶合金内部无序排列的原子,使得它具有高强度同时又具有高塑性和冲击韧性。


由于非晶合金具有优异的力学性能,因此可以用它制造一些耐磨器件,考虑到它是条带状或者薄片状的,可以用来制作涡轮材料、弹簧材料和切削刀具等。


03

化学性能

(1)耐蚀性


由于非晶合金中不存在晶界、沉淀相相界和位错等容易引起局部腐蚀的部位,也不存在晶态合金容易出现的成分偏析,所以非晶合金在结构和成分上都比晶态合金更均匀,具有更高的耐腐蚀性。非晶合金不仅在一般情况下不易发生腐蚀,而且还能抑制在特殊情况下诱发的缝隙腐蚀和点蚀的发展。


由于非晶合金具有耐腐蚀性这一优异特性,可以利用它来制造电池电极、海底电缆屏蔽、耐腐蚀管道及磁分离介质等。


(2)催化性能


非晶合金表面能高,可以连续改变成分,具有明显的催化性能。主要应用于催化剂加氢、催化脱氢、催化氧化及电催化反应等。


(3)储氢性能


某些非晶合金通过化学反应可以吸收和释放出氢,可以用作储氢材料。储氢后非晶态的结构也相当稳定,但原子间距膨胀,非晶合金的吸氢量是随氢原子能占据的场所的数目以及易产生氢化物的元素含量的增加而增加。因此若在氢原子能占据的场所填入了类金属元素的原子,那么将不能贮氢。如在TiNi合金中添加硼、硅时,吸氢量减少。


04光学性能

金属材料的光学特性受其金属原子的电子状态所支配,某些非晶合金由于其特殊的电子状态而其有十分优异的对太阳光能的吸收能力。所以利用某些非晶态材料能够制造出高效率的太阳能吸收器。


非晶合金具有良好的抗辐射(中子、y射线等)能力,使其在火箭、宇航、核反应堆、受控热核反应等领域具有良好的应用前景。


非晶合金的应用


01

磁性领域

Fe、Ni、Co基非晶合金具有高磁饱和强度,高磁导率,低矫顽力,具有低的饱和磁致伸缩,使其能够制成各种复杂结构的微型铁芯,然后制成变压器或电感器,应用于计算机、网络、通信和工业自动化等行业。



非晶带材在变压器中的节能效果

温区更宽、温度更低、使用寿命更长的非晶合金作为新型蓄冷材料应用于低温制冷机,非晶合金有望在低温磁性蓄冷材料领域中得到应用。


非晶电机也可应用于无人机、机器人等产业。


非晶磁芯

02

生物医用领域

Ca基、Mg基非晶合金具有生物兼容性、可降解性和不会引起过敏,这在医学上可用于修复移植和制造外科手术器件,如外科手术刀,人造骨头,用于电磁刺激的体内生物传感材料,人造牙齿等。镁基非晶合金因为其可降解性、较高的强度、接近骨头的弹性模量可能成为新一代为体内支架类材料。


金属玻璃的耐腐蚀性能可成为固定骨折夹板和钉的首选材料。


非晶合金电子皮肤具有很好的导电性,良好地稳定性(电阻和灵敏度系数),还具有抗菌性,而且弹性范围高,其在仿生领域有一定的应用前景。


电子皮肤

03

3C行业

非晶合金最显著的优势,就是高强度、高硬度、高耐磨性,而且既轻又薄,恰好满足3C产品的核心特质。


非晶合金注塑、压铸的塑形方式,可以满足时尚、美观的外形诉求形状诉求。液态金属在工艺上接近“净成形”,所需要的后期加工较少,可以有效降低后加工成本。还可通过改变表面结构来改变颜色,后期装饰工艺丰富,颜色更自然,同时耐磨损,不易刮擦掉色。


一次成型的非晶合金外框

04汽车行业

利用非晶合金高硬度、高耐磨的特性,可制造汽车发动机中的液压油缸、活塞等耐磨零部件,并大幅提高使用寿命;对于汽车应用,一些常见的关键属性包括精密度,耐蚀性,表面光洁度和弹性。非晶合金有着接近于零的收缩,从模型中注射成型的零部件常常能够超越最精准的CNC(数控加工)技术,在无研磨和抛光的情况下,可以实现接近光学的表面光洁度。


铁基非晶合金作为电子变压器、电感器、电抗器的铁芯,具有较高的能量转化效率,在新能源汽车充电桩产业具有广阔的市场前景。


05

其他技术领域

在航空航天领域,利用非晶合金高比强度、比刚度、高抗磨损的特性,可制造航空航天器的主框架、轴承等结构材料,大比例地减轻重量,相当于提高了航空发动机的推力比;由于非晶合金中的原子没有晶体结构中存在的通道效应,因而能够有效地截留住太阳风高能粒子。


在军事方面,钴基非晶目前在军事方面可以用来制作穿甲弹;Fe基非晶合金(又称非晶钢)的高硬度、抗磨损、无磁和腐蚀特性是高性能涂层材料,可在航母等舰艇防腐、隐身、高耐磨表面硬化和轻量化部件、抗腐蚀部件和电子器件保护套等方面的应用。


新型的钨纤维/锆合金金属玻璃(非晶合金)基复合材料作为穿甲弹的弹芯,其性能优于钨合金穿甲弹

在微机电器件领域,非晶合金薄膜和微齿轮具有更独特的性能,在生物医药、纳米压印、微机电系统、光电等领域有所应用。借助离子束沉积的方法制备的非晶合金薄膜具有很好的热稳定性和力学性能,具有较好的柔性有望应用于微机电器件领域。


在环境领域,Pd基非晶合金催化剂不仅具有优异的催化活性,而且具有独特的自稳定性,铁基非晶粉末可在短时间内处理染料污水。


在体育用品方面,非晶合金用于体育用品所能提供的高性能主要体现在高强度、高抗永久变形能力,高弹性,优异的固有低频振动阻尼,耐腐蚀。非晶合金已经在高尔夫球、滑雪、棒球、滑冰、网球拍、自行车和潜水装置等许多体育项目中得到应用。


非晶合金球杆

在半导体应用领域,用As(砒)、Bi(铋)、Ga(镓),Ge(锗)、S(硫),Se(硒)、Si(硅)、Sb(锑)、Pb(铅)、Te(碲)可以形成二元的或多元的非晶态合金,它们一般都具有良好的半导体性质。现在研究出来的非晶态合金半导体材料有几十种,非晶态合金半导体材料在微电子技术中的应用极其广泛。


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