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繁星闪烁

时间:2019-06-20    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

繁星闪烁

 

非晶态材料是材料科学中一个广阔而又崭新的领域。自然界中的各种物

质,按组成物质的原子模型,分为两大类:一类为“有序结构”的晶态物质,

它的原子占据着布拉菲点阵上的顶点,而每个晶胞则呈有规律的周期性排

列。另一类是气体、液体和某些固体(非晶固体)则称为“无序结构”。气

体相当于物质的稀释态,液体和非晶态固体相当于物质的凝聚态。液体分子

就像口袋里装着的小弹子,一个紧挨一个地密集堆叠在一起。气态或液态也

可获得非晶态的固体。非晶态固体的分子好像液体一样,以同样的紧密程序,

一个紧挨着一个无序堆积(杂乱无章地堆积)。所不同的是在液体中,分子

很容易流动。而在稠密的糊状物中,分子滑动则变得很困难。非晶固体中的

分子则不能滑动,具有固有的形状和很大的刚硬性,被称为“凝结的液体”。

“非晶态”的概念在人们的头脑里是相对于“晶态”而言的。金属和很

多固体,它们的结构状态是按一定的几何图形、有规则地周期排列而成,就

是我们曾定义的“有序结构”。而在非晶态材料的结构中,它只有在一定的

大小范围内,原子才形成一定的几何图形排列,近邻的原子间距、键长才具

A

 

有一定的规律性。例如非晶合金,在15~20 ° 范围内,它们的原子排列成四

°

面体的结构,每个原子就占据了四面体的棱柱的交点上。但是,在大于20 A

范围内,原子成为各种无规则的堆积,不能形成有规则的几何形排列。因此,

这类材料具有独特的物理、化学性能,有些非晶合金的某些性能要比晶态更

为优异。

在人类发展史上,非晶态物质如树脂、矿物胶脂等,早在几千年前的远

古时代,已被人类的祖先所利用。在我国,玻璃制造至少已有 2000 年的历史。

近半个世纪以来,人们几乎全部致力于理想的晶态物质及其超高纯度高均匀

方面的研究,而忽略了非晶态物质的开发。

20 世纪 30 年代,克拉默尔用气相沉积法获得了第一个非晶态合金。50

年代中期,科洛密兹等人,首先发现了非晶态半导体具有特殊的电子特性。

1958 年,安德森提出:“组成材料的几何图形(晶格)混乱无规则地堆积在

一定程度,固体中的电子扩散运动几乎停止,导致非晶态材料具有特殊的电、

磁、光、热的特性。”这就引起了科学家们的极大兴趣。但是,当时如何制

造能够应用的非晶态材料的方法尚未解决,金属、合金的生产仍沿用传统的

冶炼技术。

1960 年,美国加州理工学院杜威兹教授领导的研究小组发明了用急冷技

术制作出进行工业生产的非晶合金的办法。采用这种方法,可以制备出各种

宽度的非晶合金条带,条带的带宽已达 150 毫米以上。另外,这种方法还可

制备非晶态的粉末,其粉末粒度直径可达 1μm(微米,1‰毫米)左右。这

种方法也可制备非晶合金丝。此方法在冶金工业生产工序上节省了多道工

序,节省能源消耗,被称为冶金工艺的一次革命,也就是“炼金术”的革命。

非晶固体的研究结果已发现的非晶态材料包括:非晶态金属及其合金、

非晶态半导体、非晶态超导体、非晶态电介质、非晶态离子导体、非晶态高

分子及传统的氧化物玻璃等。可非晶态材料是一个包罗万象,极为富有的材

料家族,它已广泛应用于航天、航空、电机、电子工业、化工以及高科技各

领域并取得了显著效果,而且,还继续显示着它的不竭功能。


非晶态金属比一般金属具有更高的强度,如非晶态合金 Fe80B20,其断裂

强度达 370kg/mm2,是一般优质结构钢的 7 倍,弯曲形变可达 50%以上。可

见,它在保持高强度的同时还具有较高的韧性。这种非晶态合金还具有优异

的抗辐射特性,经中子γ射线辐射而不损坏,在火箭、宇航、核反应堆、受

控核反应等方面都具有特殊的应用。非晶态材料可以制备成复合材料和层状

材料。在产品生产工序上,金属玻璃的制备可以连续生产,一次成型,生产

程序简单、成本低廉。自 1974 年起,美国、日本、西德、法国已大量投资,

提供了不少的市场产品。

非晶态合金在工业上首先使用于变压器,非晶合金片薄,一般为 20~30

μm(微米,1‰毫米)制成这种微型优质变压器适用于航天、航空、航海的

供电网络上。由它制成的其他配电变压器、脉冲变压器都已投入使用。常用

的变压器铁心均是用硅钢片制造,而且要经过冲压、剪切、绝缘等 6~8 道工

序。采用非晶态合金片,减少了这一连串工序,而且所制成的变压器能量损

耗低,只有硅钢片变压器的 40%。同时,这种非晶态合金片的强度比硅钢片

的高,耐腐蚀性好,还具有极优的电学性能。1980 年美国 GE 公司用非晶态

合金片做成的电动机,其体积小,能量损耗低,其耗能只有用硅钢片制成的

电动机的 1/3。目前,全世界已有 6~7 万台非晶态合金制成的配电变压器投

入运行。如果在我国,将硅钢片制造的配电变压器全部换成非晶态合金片的

变压器,那么每年可节电 100 亿度约合价值人民币 10 亿元以上。世界上属于

非晶合金的生产类型很多,美国有 58 个,日本 73 个,我国 28 个,并且已有

年产百万吨铁心的非晶合金厂。非晶合金种类极多,有以铁为主的叫铁基非

晶态合金,还有钴基、铁——钴基、铜基、镍基等。非晶合金还包括永久磁

性或在电场下具有磁性的磁性材料,前者称硬磁材料,后者称软磁材料。

非晶态磁头,是非晶态合金应用的另一个领域。一种钴—铁—镍—铌—

硼体系的非晶态合金耐磨性高、噪声小、硬度高(比常用磁头的硬度高 2~3

倍),是很好的磁记录材料。

早在 1988 年,我国已生产 80 吨非晶态软磁合金,用于电子工业的各种

电器。非晶态钯——硅合金,可作成电磁、超声信号延迟线,作为信号延迟

一段时间的器件,并用于军工、雷达电子计算机、彩色电视、通迅系统或测

量仪器。电磁延迟线可由几毫微秒延长达几十微秒,超声延迟线则由几微秒

延迟到几千微秒,均可直接使用,免除了一大套延迟讯号的线路和仪器设备。

用非晶态合金制作成性能稳定、精确可靠的应变仪和各种传感器都已投入使

用,已形成替代原有设备、器件之趋势。

非晶态还有一些独特功能,如低热膨胀系数、在磁场作用的变形接近于

零等,根据这些特性,人们已经制造出各种要求不随温度、磁场而变化的精

密仪器,如标准量具、精密天平、高精度钟表、104~105 立方米的液化天然

气的大型运输罐等。常用的磁录像机、电视和电子显微镜也都需要大量的非

晶态合金,如铁——硼系,铁——磁系(铁、镍、钴)——锆系等非晶态合

金。

有的非晶态合金具有恒弹性特性,在受到不同压力作用下,其产生的形

变大小,不随温度变化而变化,是制作精密仪器的重要材料。

非晶态合金具有超高强度、高硬度、耐腐蚀的性质,是一种非常理想的

刀具和轴承材料。

非晶硅太阳能电池,在国际能源危机的情况下,闪耀着夺目的光辉。由


于太阳能是取之不尽、用之不竭和没有污染的能源,所以非晶硅的研究热潮

席卷全球。美国在 1986 年以前十年中已在这方面投入 15 亿美元。著名的物

理学家英特在第八届国际非晶态会议的闭幕式上说:“我不能预见未来,不

能说明究竟在什么时候,太阳能电池将要取代石油!”

各种富有特性的非晶态材料已占领了科学、技术、产业的各个领域,它

们已成为重要的新型固体材料大家族的成员。虽然,非晶态科学从理论到实

践,还有许多问题尚未清楚,但是,有关非晶态材料的许多特性已被人们慢

慢认识并付诸应用,在非晶态材料这个广阔的领域内,人们将会开拓出许多

新课题、新性能、新材料和新前景。当代冶金工业的“炼金术”的革命,在

21 世纪将继续产生重大的影响。

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