第5章-非晶态材料制备.ppt

*/* 贝尔纳多面体 非晶态固体的结构 — 拓扑无序模型 这一模型最早是由贝尔纳(Bernal)提出，用来研究液态金属结构的。他在一只橡皮袋中装满钢球、进行搓揉挤压，使得从橡皮袋表面看去，钢球不呈现规则的周期排列。贝尔纳经过仔细观察，发现无序密堆结构仅由五种不同的多面体所组成—贝尔纳多面体 */* 非晶态固体的结构模型 非晶态固体的结构模型仍在探索中，用上述模型还远不能回答有关非晶态材料的真实结构以及与成分有关的许多问题，但在解释非晶态的弹性和磁性等问题时，还是取得了一定的成功。随着对非晶态材料的结构和性质的进一步了解，结构模型将会进一步完善，最终有可能在非晶态结构模型的基础之上解释和提高非晶态材料的物理性能。 */* 非晶态固体与晶态固体相比，从微观结构讲有序性低；从热力学讲，自由能要高，是一种亚稳态。基于这样的特点，制备非晶态固体必须解决下述2个问题： （1）必须形成原子或分子混乱排列的状态； （2）必须将这种热力学上的亚稳态在一定的温度范围内保存下来，使之不向晶态转变。 非晶态固体制备 */* 非晶态固体制备 图 非晶态材料制备原理示意 最常见的非晶态制备方法有液相骤冷和从稀释态凝聚，包括蒸发、离子溅射、辉光放电和电解沉积等，近年来还发展了离子轰击、强激光辐照和高温压缩等新技术。 */* 粉末冶金法 首先用液相急冷法获得非晶粉末或将用液相粉末法获得的非晶带破碎成粉末，然后利用粉末冶金方法将粉末压制或粘结成型，如压制烧结、爆炸成型、热挤压、粉末轧制等。 由于非晶合金硬度高，粉末压制的致密度受到限制。压制后的烧结温度又不能超过其粉末的晶化温度(一般在600oC以下)，因而烧结后的非晶材料整体强度无法与非晶颗粒本身的强度相比。 粘结成型时，由于粘结剂的加入使大块非晶材料的致密度下降，而且粘结后的性能在很大程度上取决于粘结剂的性质。这使得粉末冶金大块非晶材料的应用遇到很大困难。 */* 液相骤冷是目前制备各种非晶态金属和合金的主要方法之一，并已经进入工业化生产阶段。它的基本特点是先将金属或合金加热熔融成液态，然后通过不同途径使它们以105-108 ℃/sec 的高速冷却，这时液态的无序结构得以保存下来而形成非晶态，样品以制备方法不同可以成几微米到几十微米的薄片、薄带或细丝状。 液相骤冷法 */* 快速冷却可以采用多种方法： ①将熔融的金属液滴用喷枪以极高的速度喷射到导热性好的大块金属冷砧上； ②让金属液滴被快速移动活塞送到金属砧座上，形成厚薄均匀的非晶态金属箔片； ③用加压惰性气体把液态金属从直径为几微米的石英喷嘴中喷出，形成均匀的熔融金属细流，连续喷到高速旋转（每分钟约2000-10000转）的一对轧辊之间（“双辊急冷法”）或者喷射到高速旋转的冷却圆筒表面（“单滚筒离心急冷法”）而形成非晶态。 */* (a)离心法 (b)压延法 (c)单辊法 (d)熔体沾出法 (e)熔滴法 图 液相骤冷连续制备方法示意图 液相骤冷连续制备方法 */* 先用各种不同的工艺将固体的原子或离子以气态形式离解出来，然后使它们无规则地沉积在冷却底板上，从而形成非晶态。根据离解和沉积方式的不同，可有以下几种方法： ①溅射法 将样品先制成多晶或研成粉末，压缩成型，进行预浇作为溅射靶，抽成真空或充氩气进行溅射，如前节所述过程。 气相沉积法 — 气相直接凝聚 */* ②真空蒸发沉积 真空在10-10乇以上，如前节所述，主要用于制备非晶态金属、半导体和金属薄膜等。 ③电解和化学沉积 该法成本低、工艺简单，主要用于制备大面积非晶态薄层。 ④辉光放电分解法 以制备非晶态半导体锗和硅为例，将锗烷或硅烷放在真空室中，用直流或交流电场加以分解。分解出来的锗和硅原子沉积在衬板上，快速冷凝形成非晶态薄膜。 气相沉积法 */* 其他方法 结晶材料转变法 磁悬浮熔炼法 静电悬浮熔炼 落管技术 低熔点氧化物包裹 …… …… */* 结晶材料转变法 由结晶材料通过辐照、离子注入、冲击波等方法制得非晶态固体。目前离子注入技术在金属材料改性及半导体工艺中用得很普遍，在许多情况下是利用了注入层的非晶态本质。高能注入粒子被注入材料(靶)中的原子核及电子碰撞时，能量损失，因此，注入离于有一定的射程，只能得到一薄层非晶态材料。激光或电子束的能量密度较高(～100kW／cm2)，用它们来辐照金属表面，可使表面局部熔化，并以4×104 — 5×105 K/s的速度冷却，例如，对Pd91.7Cu4.2Si5.1合金，可在表面上产生400?m厚的非晶层。 */* 磁悬浮熔炼法 当导体处于图中线圈，高频梯