查字网-字源字典字源网-汉字源流-字源字典-chaziwang.cn

非晶态，是指固态物质原子的排列所具有的近程有序、长程无序的状态。对晶体，原子在空间按一定规律作周期性排列，是高度有序的结构，这种有序结构原则上不受空间区域的限制，故晶体的有序结构称为长程有序。具有长程有序特点的晶体，宏观上常表现为物理性质（力学的、热学的、电磁学的和光学的）随方向而变，称为各向异性，熔解时有一定的熔解温度并吸收熔解潜热。

非晶态的形成

非晶态材料由于具有与液态类似的结构特征。又被称作“过冷液体”。它具有长程无序，短程有序以及处于亚稳态两大特点。根据这样的特征，制备非晶态物质需要解决的关键问题如下：

①抑制熔体中的形核和长大，保持液态结构；

②使非晶态亚稳态结构在一定温度范围内保持稳定，不向晶态转化；

③在晶态固体中引入或造成无序，使晶态转变成非晶态。

非晶态可由气相、液相快冷形成，也可在固态直接形成（如离子注入、高能离子轰击、高能球磨、电化学或化学沉积、固相反应等）。

普通玻璃的形成方法，是将原料经过高温熔融形成熔体，然后将熔体进行过冷（急冷）固化变为玻璃体。一般的冷却速度无法将金属和合金熔体转化为非晶态，必须采用特殊的制备方法，冷却速度要达到极快使它来不及结晶而形成非晶态。纯金属形成非晶态的冷却速率为1010K/s以上，合金形成非晶态的冷却速率为106K/s以上。20世纪70年代以后，人们开始采用熔体旋淬急冷方法（Melt Spinning）制备非晶条带，即将高温熔体喷射到高速旋转的冷却辊上，熔体以每秒百万摄氏度的速度迅速冷却，以致金属中的原子来不及重新排列，杂乱无章的结构被冻结，这样就形成了非晶态合金。

液相在冷却过程中发生结晶或进入非晶态时，一些性质的变化如图1所示。随着温度的降低，可分为A、B、C 3个状态的温度范围：在A范围，液相是平衡态；当温度降至Tf以下进入B范围时，液相处于过冷状态而发生结晶，Tf是平衡凝固温度；如冷速很大使成核生长来不及进行而温度已冷至Tg以下的C范围时，液相的黏度大大增加，原子迁移难以进行，处于“冻结”状态，故结晶过程被抑制而进人非晶态，疋是玻璃转变温度，它不是一个热力学确定的温度，而是决定于动力学因素的，因此Tg不是固定不变的，冷速大时为Tg1，如冷速降低（仍在抑制结晶的冷速范围），则Tg1就降低至Tg2。非晶态的自由能高于晶态，故处于亚稳状态。从图1还可看到液相结晶时体积（密度）突变，而玻璃化时不出现突变；但比热容Cp在非晶化时却明显地大于结晶时Cp变化。

合金由液相转变为非晶态的能力，既决定于冷却速率也决定于合金成分。能够抑制结晶过程实现非晶化的最小冷速称为临界冷速（Rc），对纯金属如Ag、Cu、Ni、Pb的结晶形核条件的理论计算得出，最小冷却速率要达到1012～1013K/s时才能获得非晶，这在熔体急冷方法尚难做到，故纯金属采用熔体急冷还不能形成非晶态；而某些合金熔液的临界冷速就较低，一般在107K/s以下，采用现有的急冷方法能获得非晶态。除了冷速之外，合金熔液形成非晶与否还与其成分有关，不同的合金系形成非晶能力不同，同一合金系中通常只有在某一成分范围内能够形成非晶。

非晶态转变

温度高于或等于熔点Tm的液态金属，其内部处于平衡态。从能量的角度来看，当温度低于熔点Tm时。在没有结晶的情况下过冷，此时体系的自由能将高于相应的晶态金属，呈亚稳态。如果体系内的结构弛豫（或原子重排）时间τ比冷却速率dT/dt的倒数小，则体系仍然保持内部平衡，故呈平衡的亚稳态。随着液态金属体系的冷却，其黏滞系数η或弛豫时间τ将会迅速增加，当增加到某一值时，τ已经很大，以致体系在有限的时间内不能达到平衡态，即处于非平衡的亚稳态。由离开内部平衡点算起，称为位形冻结或非晶态转变。形成非晶态合金时的热焓H、比容V和熵S随温度T的变化。

对非晶态合金的转变温度Tg可作如下讨论：

（1）通常比热曲线上升拐点处所对应的温度为非晶态转变温度。

（2）对于普通玻璃，当接近转变温度Tg时，玻璃开始软化。但非晶态金属却类似于牛顿黏滞性流动，黏滞系数发生104～105量级的突变。

（3）温度介于熔点Tm与转变温度Tg之间的液体，称为过冷液体。由于其自由能比相应的晶态合金要高，故处于亚稳态，但其内部却是处于平衡态。温度低于转变温度的非晶态合金则处于非平衡的亚稳态，即它比晶态合金具有更高的能量。

（4）从热力学角度看，非晶态转变温度被认为是结构位形熵被终止的温度。随着温度的增加，液态金属的比热容Cp的降低引起位形熵的增加。

（5）从液态金属到非晶态的转变是Ehrenfest意义下的二级相变，它的定义是Gibbs函数的二阶导数具有不连续性。

非晶态结构的表征

非晶态合金的主要特点是原子在三维空间长程拓扑无序状的排列，结构上它没有晶界与堆垛层错等缺陷存在，但原子的排列也不像理想气体那样的完全无序。非晶态合金是以金属键作为其结构特征的，虽然不存在长程有序，但在几个晶格常数范围内保持短程有序。

非晶态结构特征一般采用统计的方法，即径向分布函数（Radial Distribution Function，RDF）来描述。径向分布函数是用来表征结构特征的函数，它可以通过实验来测定。径向分布函数的表达形式为：RDF（R）=4πR2g（R），它表示以某个原子为中心，在半径尺处、厚度为dR的球壳层内的原子数。如图2所示，当R小于原子的半径R0时，g（R）=0；从R0处开始，g（R）开始上升，到第一峰值（R=R1）处，又开始下降，g（R）的第一个峰对应于中心原子周围的第一个配位层，第一峰下的面积即为此结构的配位数z。由于结构存在无序，z值就不一定是整数；类似地，可定出邻近的第二壳层，但峰宽展宽，峰高减低，并逐渐和其他峰合并，当尺趋于无穷大时，g（R）=1。通过测定RDF，可以获得表征非晶态结构特征的信息。

下面描绘了气体、液体、非晶体和晶体典型的径向分布函数RDF图。气体分子完全无序，因此当R>R0时，其g（R）恒等于1；液体与非晶体的RDF类似，它们都是长程无序而短程有序的，但液体的RDF的峰值明显降低，峰宽展宽，曲线更加平滑，缺乏非晶体的某些细节。而晶体的RDF为很窄的峰，表明晶体中原子的有序排列。

非晶态合金

1．概念

物质就其原子排列方式来说，可以划分为晶体和非晶体两种。材料的原子呈规则排列的就是晶体；原子呈无规则排列的就是非晶体。1960年美国用快冷首次获得了非晶态的合金Au20Si30，1967年又得到非晶合金Fe86Ph12.5C7.5，并发现非晶态金属具有很多常规晶态金属所不具备的优越性能。由于非晶含金在结构上与玻璃相似，故亦称为金属玻璃。

2．非晶态合金的制备

非晶态合金的制备可采用液相急冷法、气相沉积法、注入法等。液相急冷法即通过快速冷却来获得非品态固体材料。从理论上说，任何液体都可通过快速冷却获得非晶态，但事实证明，不同的物质形成非晶态所需要的冷却速度大不相同。例如，对于硅酸盐（玻璃）和有机聚合物来说，在正常的冷却速度下都可以获得非晶固体：而纯金属，只有当冷却速度越过临界冷却速度（约1010K·S-1），使其来不及形核和核长大就被凝固住了，才能得到非晶态。采用的一种快速凝固的工艺已能制出粉末状、丝状、带状等非晶态合金材料。如将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上，钢液以每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时问就将1300℃的钢水降到200℃以下，形成非晶带材。

3．非晶态合金的特点

（1）高强韧性。其抗拉强度可达到3000 MPa以上，而超高强度钢（晶态）抗拉强度仅为1800～2000 MPa。另外，许多淬火态的非晶态合金薄带可反复弯曲，即使弯曲180°也不会断裂。

（2）耐腐蚀性。它具有很强的耐腐蚀性，其主要原因是凝固时能迅速形成致密、均匀、稳定的高纯度钝化膜。

（3）优良的磁性。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，具有高的磁导率，低的损耗，是优良的软磁材料。

（4）工艺简单、节能、环保。非晶合金薄带成品的制造是在炼钢之后直接喷带的，只需一步就完成制造，工艺大大简化，节能，无污染，有利于环境保护。

4．典型的非晶态合金

（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，软磁性能优于硅钢片，价格便宜，最适合替代硅钢片，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，可以代替硅钢片或者坡莫合金（Fe—Ni合金），用作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）铁基纳米品合金（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、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。

5．非晶态合金的应用

我们在日常生产生活中接触的非晶态材料已经很多，例如，用非品态合金制备的高耐磨音频视频磁头在高档录音、录像机中的广泛应用。常常有人对图书馆或超市中书或物品中所暗藏的报警设施感到惊讶，其实，这不过是非晶态软磁材料在其中发挥着作用，非品合金条带可以夹在书籍或者商品中，也可以作成商品标签，如果商品尚未付款就被带出，则在出口处的检测装置就会发出信号报警。用非晶态合金制作配电变压器铁芯，它比硅钢片作铁芯变压器的空载损耗下降75%左右，空载电流下降约80%，是节能效果较理想的配电变压器，特别适用于电效率低的农村电网。在逆变焊机电源中纳米品合金已经获得广泛应用。