非晶和其复合材料制备方法探究

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1、非晶和其复合材料制备方法探究　　摘要：非晶由于其优异的物理性能，尤其是力学性能，日益引起注意。本文概述了非晶的制备方法，讨论了快速冷却和近快速冷却的冷却速率，并详细介绍了块体非晶复合材料的制备方法及其重要成果。在此基础上，提出了块体非晶产业化的可能性，并期盼新的制备工艺的出现。关键词：非晶；快速冷却；制备方法中图分类号：TG139.8文献标识码：A文章编号：1006-4311（2014）05-0005-050引言对于自然界中各种形态的物质，按照原子的堆垛方式进行分类，可将这些物质分为两大类，一类称为有序结构组成的物质，另一类称为无序结构的物质。晶体的原子结构堆垛为典型的长程有序

2、结构，而气体、液体和诸如非晶态固体的原子堆垛都属于长程无序、短程有序结构，气体相当于物质的稀释态，液体和非晶固体相当于凝聚态。20非晶合金属于典型非晶态固体，相对于传统的晶体金属或合金来说，其具有长程无序、短程有序（或是中程有序）的结构特点。正是这种独特结构的寻在，才能使非晶体表现出更好得优异的物理和化学性能。而非晶合金的原子进行排列是因为存在脆性的类似于氧化玻璃的特点，因此又被称为金属玻璃。非晶合金机构内部因为没有晶界、层错等缺陷，因此具有惊人的抗腐蚀性能，不存在偏析及异相等结构。从热力学上讲，非晶合金是一种亚稳态结构，它的原子结构呈现出长程无序排列，有序性被严格限制在几个原

3、子的尺寸范围内，非晶合金在一定的热力学条件下将转变为能量更低的晶态结构。非晶材料这些特殊性质决定了其性能与晶体金属有很大差异，具有高硬度、高强度、高电阻、耐蚀及耐磨等特有的优异性能。非晶态合金的制备需要足够高的冷却速度，这样的方式避免熔体冷凝过程中发生结晶过程（形核和生长），当冷至某一温度以下时，其内部原子被冻结成液态时的结构。因此，我们可以从理论上看出，任何物质在冷却速度较快的情况下，液体原子就来不及整齐排列，在混乱的状态下就被保存下来，以此形成非晶特有的结构。1快速凝固技术20一般来说，非晶合金的制备方法有很多，主要分为两大类，即近快速凝固法与快速凝固法。快速凝固技术的冷却

4、速率可以达到105K/s以上，制备非晶粉末、薄带等小尺寸（至少在某一维度上）的非晶材料很方便。而近快速凝固法的冷却速率一般都小于103K/s，主要有（包括一些其他的方法）：①铜模吸铸法：②粉末冶金技术；③熔体水淬法；④压铸法：⑤非晶条带直接复合一爆炸焊接；⑥定向凝固铸造法；⑦磁悬浮熔炼铜模冷却法；⑧固态反应；⑨从液相中直接制取[1]。1.1快速凝固原理快速凝固[2]可以根据不同的方法进行不同的配套设备装置，但是我们需要从技术原理上将，而且实现快速凝固有如下3种途径：动力学急冷法、热力学深过冷法、定向凝固法。快速凝固法增大固溶度（或者非平衡相的形成）等合金的多种性能[3]，在快速

5、冷却速度下，界面将处于一种非平衡的状态，包括界面上溶质分配系数的偏离平衡、溶质截留与有序相中的长程无序，结晶过程完全被遏制，形成非晶结构。动力学急冷快速凝固法（简称熔体急冷技术）的核心主要就是提高凝固过程中的冷却速率，这对金属凝固来讲，主要就是提高系统的冷却速度主要使用以下原理：第一，减少金属凝固的熔化潜热；第二，提高凝固过程中的传热速率。根据这两个基本原理，急冷凝固技术的原理是减小熔体体积与其散热表面积之比，同时减小熔体与热传导的界面1.2快速凝固的传热特点目前主要的快速凝固法都是通过液态金属与高导热系数的冷衬底之间的紧密相贴来实现快速传递，其中也包括离心雾化法在内。由于合金

6、液体只有在底部与冷衬底接触，这样在散热虽然相对有限，但是能够转化为单向的传热，基本的传热方程式为：20上面方程的差分形式如下：对上式分析可得到如下有用的结论：①对于差分方程直接积分就能够得到温度随距离及时间的分布图；②Ruhl使用计算机模拟出来的用于计算金属液膜的单向传递，得出的冷却速率大多在105-109K/s之间，这样才能与实验结果基本相符；③我们从这些计算的结果不难看出，影响温度场及冷却速率的主要因素是：金属/衬底界面的状况及金属试样的厚度。1.3快速凝固制备非晶的方法1.3.1气枪法（quntechnique）基本原理是将熔融的合金液滴，在高压（>50atm）下射向用高

7、导热率材料（一般为纯铜）制成的急冷衬底上获得非晶。由于液态合金与衬底紧密相贴，这种方法的冷却速度极高（>109°C/s），这样由此得到的是合金薄膜最薄处厚度小于0.5～1.0um（冷却速度达109°C/s）。Duwez[5]等人首次获得熔体急冷合金时使用的就是这种方法。1.3.2旋铸法（chillblockmelt-spinning）20将熔融的合金液自坩埚底孔射向一个由高导热系数材料制成的辊子表面上，我们称为旋铸法，辊子高速旋转，液态合金在辊面上凝固为一条很薄的条带（厚度可小至15～20u