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非晶态合金研究现状及发展前景综述
[
摘要
]
：概述了非晶态材料的发展历史及该领
域的最新研究进展
,
并从成分结构条件、热力学条
件、动力学条件等方面阐述了大块非晶合金的形成机制。介绍了非晶合金的制备方法
< br>,
并比较了
其产业化的可行性。同时综述了大块非晶合金
优异的性能和应用前景。
[Abstract]
：
An
overview
of
the
latest
research
progress
in
the
history
of
the
development
of
non
crystalline
material
and
the
field,
and
the
formation
mechanism
of
bulk
amorphous
alloys
was
expounded
from
the
aspects
of
component
structure
condition,
thermodynamic
conditions,
dynamic
conditions
etc..
Introduced
the
preparation
method
of
amorphous
alloy,
and
the
feasibility
of
its
industrialization. The
properties and application of bulk amorphous
alloys with excellent and review.
1.
引言
非晶态合金是指不具有长程有序但
短程有序的金属合金，又由于其具有金属合金的一些特
性，故它们也被称为玻璃态合金或
者非结晶合金，属于非晶态材料中新兴的分支
[1]
。
非晶态合金长程无序但短程有序，
是指原子在空间排列上不呈周期性和平移对
称性，
但在
1
～
2nm
的微小尺度内与近邻或次近邻原子间的键合
(
如配位数、原子间距、键角和键长等参量
)
具<
/p>
有一定的规律性。短程有序又可分为化学短程有序和几何短程有序。化学短程有序是指合金
元
素的混乱状态，即每个合金原子周围的化学成分与平均成分不同的度量；几何短程有序
包括拓
扑短程有序和畸变短程有序
[2]
。
非晶态合金与晶态合金一样，都是多组元的合金体系，但
是与晶态合金中原子的周期性排
列不同，在非晶态合金中，原子的排列不具有长程有序的
特点，而仅在单个原子的附近具有一
定程度的短程有序，如图
1
．
1
所示
[3
]
。非晶态合金独特的原子排列结构使得它具有了显著区别
于晶
态合金的物理、化学和力学行为
[4-7]
。因此，非晶态合金
作为一种完全不同于晶态合金的新
材料具有科学研究上的重要价值
[8]
。另外，非晶态合金具有某些优异的性能，如高强度、高弹
性、耐腐蚀、热成型性能好，等等，这使得非晶态合金具有非常广阔的应用前景
[9
-10]
。例如，
与传统的工程材料相比，非晶态合金就综合了
晶态合金在力学性能方面的高强度和工程塑料高
弹性的优点，如图
1
．
2
所示。因此，近年来世界各研
究单位投入了大量的研究力量和经费，对
非晶态合金的形成理论、制备工艺和性能表征等
各个方面进行了深入系统的研究
[11-14]
。对非晶
态合金的研究已成为当代材料科学发展的一个最活跃、最令人激动的方向
[15-16]
。
2.
非晶态合金的结构
图
1.1
晶态
图
1.2
非晶态
自从
20
世纪
60
年代发现首个
Au
—
Si
非晶态合金以
来
[17]
，非晶态合金的原子结构就是人
们关注的焦点，
提出了多种非晶态合金结构模型，
主要有：
硬球无规密堆模型
[18]
、
微晶模型
[1 9]
、
连续无规网格模型
[20]
、
FCC<
/p>
／
HCP
密堆团簇堆积模型
[21-22]
。
2.1
硬球无规密堆模型
硬球无规密堆模型
是最早提出的描述非晶态合金结构的模型，其将非晶态结构看作是一些
均匀连续的、
致密填充的、
混乱无规的原子硬球的集合，
“无规”
是指不存在晶态中的长程有序，
这与金属键的无方向性
一致；密堆是指在原子的排列尽可能致密堆积，不存在足以容纳另一个
硬球的间隙。其主
要假设如下：
1
）把原子假设为不可压缩的球体；
2
）无规密堆结构，即硬球
尽可能致密堆积，结构中
没有容纳另一硬球的空洞，同时硬球的排列是无规随机的；
3
）
硬球之
间的距离大于直径的
5
倍时，它
们之间只有很弱的相关性。其几何特征由四面体、八面体等多
面体组成
< br>[18]
。
2.2
微晶模型
在早期研究无定形金属材料的结构
时，人们认为无定形金属结构也是由非常小的微晶组成
的，晶粒大小约为一纳米到几纳米
，这样晶粒内的短程序与晶体的完全相同，而长程序是各晶
粒的取向杂乱分布的结果
[19]
。微晶模型的不足在于不能清楚地描述晶界的原子排列，其
计算结
果与实验结构存在一定差异。
2.3 FCC
／
HCP
密堆团簇堆积模型
Miracle
[21-22]
考虑了非晶态合金中次近邻甚至更远处的原子排列，
提出了
FCC
／
HCP<
/p>
密堆团
簇堆积模型。这种模型较之早期模型的差别在于它不仅考虑
了最近邻的原子，还延伸到次近邻
甚至更远处的原子排列。该模型首先将具有不同尺寸比
的溶质、溶剂原子构成以溶质原子为核
心的原子团簇，然后将单个原子团簇理想化为球形
，并将这种团簇按照最密集的
FCC
／
HCP
结
构排列。这种团簇排列引进了溶质有序化，这种有序化
超出了最近邻范围。团簇之间存在的共
用原子为溶剂原子，团簇之间或共面，或共线，或
共点。除了构成团簇的溶质和溶剂原子外，
还引入了两类原子，一是八面体间隙原子，二
是四面体间隙原子。这两类原子的大小随团簇尺
寸的变化而变化。例如有学者研究了
Ti
—
Zr-Cu
—
Ni
非晶系的等电子浓度特征，认为块体非晶
合金的等电子浓度特征判据适用于
Ti
—
Zr-Cu
—
Ni
非晶系。
图
1.5
为该模型的
< br>Ti
—
Zr-Cu
—
Ni
系
成分图。
图
1.5
Ti
—
Zr-Cu
—
< br>Ni
系成分图
3.
非晶态合金的性能及应用
非晶态合金材料结构上的特殊性
(<
/p>
短程有序
)
，使得它与传统晶态合金材料
相比，具有优良
的力学性能、抗腐蚀能力、化学活性等
[23-
27]
。其强度一般高出普通晶态合金数倍，在军事工业、
航空
航天工业中具有极为广阔的应用前景
[28]
。
非晶态合金大都具有高的屈服强度、硬度、弹性应变极限以及
相对较高的断裂韧性、抗疲
劳和抗腐蚀特性，其中
Zr
基大块非晶已被用来制作运动器材，还将被用为结构材料
[29]
。
非晶态合金材料可以储存很大的弹性应变
能，因而是潜在的弹簧材料，这已在制造高尔夫
球杆方面得到验证
[30-31]
。通过引人陶瓷颗粒可以使材料具有延展性，这样的复合材料可作为装
甲车板的衬板。作为结构材料它还被用于制作飞船框架、医学上的植入体
[32]
。它还用作光纤、
钢模、工具及切割用材料，
非晶合金作为新的工程材料正在扩展其应用领域
[33]
。材料
科学的发
展推动了其他科学技术的进步，作为高科技材料，其在航天领域的贡献更是有目
共睹。主要应
用领域见表
1.1
[34
-35]
。
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