桂电 研究生材料制备课程Lecture 4PPT课件

1、非晶合金的形成机制与制备方法 1.非晶态合金的特征和形成条件2.非晶态合金的主要制备方法3.单片非晶态合金箔、粉末、纤维、丝材以及薄带的制备方法4.大块非晶合金的制备5.影响非晶态合金带材制备的因素6.非晶态合金的应用 一、非晶态合金1.结构的主要特征：结构的主要特征：u短程有序，长程无序性；u非晶态是一种亚稳态；u结构均匀、各向同性，成分均匀性；u非晶体（如玻璃）没有确定的熔点，只有一定的软化温度。XRD patternTEM diffraction pattern 2. 非晶态材料包括非晶态材料包括： （1）非晶态金属及合金（金属玻璃） （2）非晶态半导体非晶态超导体 （3）非晶态电介质

2、（4）非晶态离子导体 （5）非晶态高聚合物 （6）传统的氧化物玻璃等。u第一类为类金属元素（或弱金属元素）与非金属元素的组合。类金属元素主要是周期表中A、A、A元素，非金属元素主要是A和A元素，它们能形成诸如氧化物、硫化物、硒化物、氟化物和氯化物等非晶态物质；u第二类是准金属元素和金属元素的组合。金属元素则主要是过渡元素和贵金属元素，例如形成Pd-Si、Co-P、Fe-C等非晶态材料。u第三类是金属元素和金属元素的组合。前者是A、B、B、B金属，后者是贵金属和稀土金属，它们形成诸如Gd-Co、Nb-Ni、Zr-Pd、Ti-Be等非晶态材料。3.非晶态的形成过程非晶态的形成过程过热熔体(稳定相)

3、 过 冷 熔 体（亚稳相） 非晶固体 (亚稳相)晶 体 （稳定相） ABCDEE：结晶过程；C：非晶形成过程 ；D：非晶晶化过程 4.非晶态非晶态形成形成过程的特点过程的特点：（1）从熔体中形成非晶态的过程是：ABC 即：过热熔体 过冷熔体 非晶固相（2）非晶形成是亚稳相之间相互转变，即： 稳定过热液相 亚稳过冷液相 亚稳固相（3）从现象上看，在非晶态的形成过程中，熔体由液态变为固态时是连续的、粘滞系数加大的过程；（4）欲制备非晶材料，必须抑制过程E（结晶过程）、D（非晶晶化过程）的发生； （5）欲保证非晶材料稳定性，要研究过程D （非晶晶化过程）发生的条件；（6）非晶态形成过程的本质是亚稳液

4、相与亚稳固相之间的转变 。5.非晶态形成条件非晶态形成条件：冷却速度：冷速足够大(大于RC ：临界冷却速率)化学成分：组元间电负性与原子尺寸相差越大(10%-20%), 越容易形成非晶态。因而过渡族金属或贵金属与类金属 (B、C、N、Si、P)、稀土金属与过渡族金属、后过渡族金属与前过渡族金属组成的合金易于形成非晶.熔点和玻璃化温度之差T ：T =Tm-Tg ，T越小，形成非晶倾向越大。 因而，成分位于共晶点附近的合金易于形成非晶.二、非晶态形成的判据1. 戴维斯判据设合金的熔点为Tm, 混合熔点为Tm,定义J= (Tm-Tm)/Tm为熔点的相对偏移，则戴维斯判据可叙述为：当J0.2时，合金可

5、在105-107 K/s下形成非晶态合金。混合熔点Tm可表示为TMMmmMTMmMTTT XTX为过渡金属的熔点； 为类金属的熔点；XTM为过渡金属的摩尔分数；XM为类金属的摩尔分数。TMmTMmT2. 尼尔森判据定义合金的升华焓TMMssTMsmHHXHXTMsH为过渡金属的升华焓；为类金属的升华焓MsH尼尔森判据：当0Xm0.40 及Tg/Tm0.50时， 可形成非晶态合金。3. 戴维斯判据改进熔体淬火形成非晶态合金的判据为：当J/W 0.0044时，易形成非晶态合金。W=（Tm-Tm)/cb，cb为溶质的浓度。1. 非晶态合金的制备原理：三、非晶态合金薄膜的主要制备方法液态金属结晶开始时

6、间与过冷度的关系制备原理示意图2. 非晶态合金的制备方法的分类：通过蒸发、电解、溅射等方法使金属原子或离子凝聚或沉积而成；由熔融合金通过急冷快速固化而形成粉末、丝、条带等；利用激光、离子注入、喷镀、爆炸等方法使表面层结构无序化。3.非晶态合金薄膜的主要制备方法（1） 真空蒸镀法真空蒸镀法： u在高真空下，采用电阻、高频感应或电子束等方法加热基体金属，使得从表面蒸发的金属原子附着在基板上而获得薄膜。u优点：设备和工艺比较简单、冷却速率快、可以制备纯金属非晶态薄膜u缺点：蒸镀速率太慢，获得的薄膜极薄（约几个纳米），膜大的致密度低。真空蒸镀法示意图（2）溅射法溅射法：利用在1.3-0.1Pa真空下，

7、电离的离子撞击阴极靶材得到具有较高动能的溅射原子，使其附着到阳极基板上而获得薄膜。优点：有较高的沉积速率，约1-10nm/s，可制备合金膜；缺点：基板温度上升快。溅射法示意图（3）化学气相反应法化学气相反应法：n利用含有析出元素的化合物蒸气在基板上热分解，与其他气体在气态下发生化学反应，并在基板上析出反应生成物而得到薄膜。n主要制备碳化硅、氮化硅、硼化硅等非晶态薄膜。（4）电镀法电镀法：u利用电极还原电解液中金属离子，析出金属原子来获得非晶态材料。u用于制备Ni-F-Co-P等少数体系非晶合金，可获得大面积的非晶薄膜。卧式CVD装置立式CVD装置四、非晶态合金粉末的制备1. 气体雾化法气体雾化

8、法：用超声气流将金属液吹成小滴而雾化，气流又起到淬火冷却剂的作用。冷却速度决定于金属液滴的种类和雾化气体的种类。典型例子：Cu60Zr40粉末2. 液体雾化法液体雾化法：u采用液体作为冷却介质。u冷却速度较高。u颗粒形状不规则。u典型例子:Fe69Si17B14、Fe74Si15B11非晶粉末。3. 气气- -液雾化法液雾化法：u气体将小颗粒（10-15m)淬火。u高速喷射的液体为大颗粒提供较高的冷却速度，平均淬火冷却速率可达105-106 K/s.u可以有效控制颗粒形貌。u典型例子：Fe75Si15B10、Fe81.5Si14.5B4非晶粉末。五、非晶态合金箔、带的制备方法（液体急冷法）1. 喷射枪法喷射枪法：在低压惰性气氛保护下熔融合金，获得合金液体；用高压氩气将合金液体喷射到钢板上，获得非晶态合金箔片。冷却速率：109 K/s.2. 活塞-砧法p熔融状态合金液滴在活塞与砧的撞击下形成圆形箔片非晶态合金。p箔片厚度尺寸