非晶态材料非晶态材料

非晶态材料

非晶态材料作为材料科学中一个崭新的领域，有个广阔而美好的前景。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。液体分子就如同口袋里装着的小弹子，一个紧挨一个地密集堆叠在一起。气态或液态可以获得非晶态的固体。非晶态固体的分子好像液体分子一样，以同样的紧密程度，杂乱无章地堆积在一起。在液体中，分子可以轻松流动。而在稠密的糊状物中，分子滑动则变得很困难。与液体所不同的是，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的范围内，原子成为各种无规则的堆积，不能形成有规则的几何图形排列。因此，这类材料具有独特的物理、化学性能，有些非晶态合金的某些性能要比晶态更为优异。

早在几千年前的远古时代，我们的祖先就学会利用非晶态物质制造生产、生活用品。在我国2000多年前，就有使用玻璃的记载了。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，第一个非晶态合金在克拉默尔的气相沉积法诞生了。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导电特性。1958年，安德森提出：“组成材料的几何图形（晶格）混乱无规则地堆积到一定程度，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。”这一观点引起了科学家们的极大兴趣。不过，当时如何制造能够应用的非晶态材料的方法仍未解决，金属、合金的生产依旧沿用传统的炼金术。

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、非晶态电介质、非晶态超导体、非晶态离子导体、非晶态高分子及传统的氧化物玻璃等。可见非晶态材料是一个包罗万象，种类繁多的材料家族，它已广泛应用于航天、电机、航空、电子工业、化工以及高科技各领域并取得了显著效果。

非晶态金属比一般金属具有极高的强度，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保持着较高的韧性。这种非晶态合金还具有优异的抗辐射特性，经中子、γ射线辐照而不损坏，在火箭、宇航、核反应堆、受控核反应等方面都显示了其优良的性能。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。从1974年开始，美国、日本、联邦德国、法国已大量投资生产，不少产品已问世。

工业中，非晶态合金最先应用于变压器中，非晶合金片薄，一般为20～30μm（微米，1‰毫米）制成这种微型优质变压器适用于航空、航天、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。通常使用的变压器铁心均是由硅钢片造成，而且条经过冲压、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。随后，由非晶态合金片制作的电动机诞生了。1980年，美国GE公司用非晶态合金片做成了电动机，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。非晶合金具有相当多的种类，有以铁为主的叫铁基非晶态合金，还有钴基、铁－镍基、铁－钴基、铜基、镍基等。非晶合金还包括具有永久磁性的硬磁材料或在电场下具有磁性的软磁材料。

非晶态合金应用的另一个领域是非晶态磁头。一种钴——铁——镍——铌——硅——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。

1988年，我国生产了80吨非晶态软磁合金，主要用于电子工业的各种电器。非晶态钯——硅合金，可做成电磁、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、通讯系统或测量仪器。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、在磁场作用下变形接近于零等，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——磷系（铁、镍、钴）——锆系等非晶态合金。

某些非晶态合金还具有恒弹性特性，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，重要应用于制作精密计量仪器。

非晶态合金所具有的超高强度、高硬度、耐腐蚀的性质，使其成为了一种十分理想的刀具和轴承材料。

在国际能源危机的情况下，非晶硅太阳能电池闪耀着更加夺目的光辉。由于太阳能是取之不尽、用之不竭和没有污染的能源，所以对非晶硅的研究也是热潮连连，遍及全球。在1986年以前的十年中，美国已在非晶硅太阳能电池方面投入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的大家族。虽然，非晶态科学从理论到实践，还有许多问题尚未解决，但是，关于非晶态材料的许多特性已被人们认识并且付诸应用，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。对于非晶态材料的未来，我们也是充满信心，非晶态材料定会成为新世纪中不可或缺的材料。