第6章 非晶态材料的制备.ppt

1客观世界是非线性、非平衡的复杂世界。
自古希腊：人们向往世界的
稳定性、规则性、和谐性、有序性、因果性、本质简单性、周期性、对称性……
现在：人们越来越认识到：我们所处的大千世界是以不稳定动力系统为特征的，充满了：非平衡、非线性、非稳定、非均匀、非可逆、非晶态、非连续、非周期、非对称……
31960年，美国加州理工学院杜威教授采用急冷法制得非晶体至今，人们对非晶体材料的研究已经取得了巨大成就。
过渡金属-类金属型合金开始用于各种变压器、传热器铁芯；
非晶合金纤维已被用来作为复合材料的纤维强化；
非晶铁合金作为良好的电磁吸波剂，已用于隐身技术的研究领域；
某些非晶合金具有良好催化性能；
非晶硅和非晶半导体材料在太阳能电池和光电导器件方面的应用已相当广泛。1.非晶态材料的基本概念
（1）有序态和无序态
根据组成物质的原子模型，可将自然界中物质状态分为有序结构和无序结构两大类。
（2）长程有序和短程有序
晶体中原子的排列是长程有序的；而非晶体是长程无序的，只是在几个原子的范围内才呈现出短程有序。
（3）单晶体、多晶体、微晶体和非晶体（4）非晶态的基本定义
一般认为，组成物质的原子、分子的空间排列不呈周期性和平移对称性，晶态的长程有序受到破坏，只有由于原子间的相互关联作用，使其在小于几个原子间距的小区间内（1~1.5nm），仍然保持形貌和组分的某些有序特征而具有短程有序，这样一类特殊的物质状态统称为非晶体。非晶态材料在微观结构上具有三个基本特征：
（a）只存在小区间内的短程有序，在近邻和次近邻原子间的键合（如配位数、原子间距、键角、键长等）具有一定的规律性，而没有任何长程有序；
（b）它的衍射花样是由较宽的晕和弥撒环组成，没有表征结晶态的任何斑点和条纹，用电镜看不到晶粒、晶界、晶格缺陷等形成的衍衬反差；
（c）当温度连续升高时，在某个很窄的温区内，会发生明显的结构相变，是一种亚稳态材料。（1）非晶态合金
非晶态合金又称金属玻璃，即非晶态合金具有金属和玻璃的特征。
非晶金属玻璃材料中原子的排列是杂乱的，这种杂乱的原子排列赋予了它一系列全新的特性。（2）非晶态半导体材料
（a）四面体配置的非晶态半导体，如非晶Si和Ge；
（b）硫系非晶态半导体，主要成分是周期表中的硫系；
（c）玻璃态半导体，硫系非晶态半导体通过加热-冷却过程中发生晶态-非晶态的可逆转变。（3）非晶态超导体
关于非晶态超导体的研究可以追溯到20世纪50年代。
1975年以后，采用液体金属急冷法制备了多种具有超导电性的非晶态合金。
目前已经用快速淬火法制备了多种具有超导电性的非晶态材料。
（4）非晶态高分子材料
早在20世纪50年代，希恩等人在晶态聚合物的X射线衍射图案中就曾发现过非晶态高分子聚合物的弥散环。
这些实际结构介于有序和无序之间，被认为是结晶不好或部分有序结构。
现在已经证实，许多高聚物塑料和组成人体的主要生命物质以及液晶都属于这一范畴。
在聚合物中，连接的原子的单向性（不对称性）呈现无规则变化时，该聚合物将形成无规立构体，此时表现为非晶状态。（5）非晶体玻璃
石英玻璃：石英玻璃的结构是无序而均匀的，有序范围大约是0.7~0.8nm。硅氧四面体[SiO4]之间的转角宽度完全是无序分布的，[SiO4]以顶角相连，形成一种向三度空间发展的架状结构。
钠钙硅玻璃：在熔融石英玻璃中加入碱金属氧化物，就会使原有的“大分子”发生解聚作用。使得氧的比值增大，开始出现非桥氧，使硅氧网络发生断裂。而碱金属离子处于非桥氧附近的网穴中，形成了碱硅酸盐玻璃。若在碱硅二元玻璃中加入CaO，可使玻璃的结构和性质发生明显的改善，获得具有优良性能的钠钙硅玻璃。
硼酸盐玻璃：B2O3玻璃由硼氧三角体[BO3]组成，其中含有三角体互相连接的硼氧三元环集团，在低温时B2O3玻璃结构是由桥氧连接的硼氧三角体和氧三元环形成的向两度空间发展的网络，属于层状结构。（1）高强度、高韧性（2）抗腐蚀性（3）软磁特性
所谓“软磁特性”是指磁导率和饱和磁感应强度高，矫顽力和损耗低。
目前使用软磁材料多为结晶材料，具有磁晶各向异性而互相干扰，结果使磁导率下降。
非晶态合金中没有晶粒，不存在磁晶各向异性，磁特性软。
具有高磁导率的非晶态合金可以代替坡莫合金制作各种电子器件，特别是用于可弯曲的磁屏蔽。（4）超导电性
目前，Tc最高的合金类超导体是Nb3Ge，Tc=23.2K。但，超导合金较脆，不易加工成磁体和传输导体。
1.影响非晶态合金形成的因素
内因：材料的非晶态形成能力。
外因：足够的冷却速度，使熔体在达到凝固温度时，其内部原子还未来得及结晶就被冻结在液态时所处位置附近，从而形成无定形的固体。2.结构特点、热力学模型和动力学模型三个方面决定非晶态合金的形成
（1）非晶态合金的基本特征是其构成原子在很大程度上是混乱