非晶態(tài)物理基礎(chǔ)

1、4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 組成物質(zhì)的原子、分子的空間排列組成物質(zhì)的原子、分子的空間排列 ，晶體的長程有序受到破，晶體的長程有序受到破 壞，只是由于原子間的相互關(guān)聯(lián)作用，使其壞，只是由于原子間的相互關(guān)聯(lián)作用，使其 在小范圍在小范圍( () )內(nèi)，仍然保持著形貌和組內(nèi)，仍然保持著形貌和組 分的某些有序的特征，具有分的某些有序的特征，具有，并且，并且 在熱力學(xué)上出現(xiàn)在熱力學(xué)上出現(xiàn)。人們把這樣一類特。人們把這樣一類特 殊的物質(zhì)狀態(tài)統(tǒng)稱為非晶態(tài)。殊的物

2、質(zhì)狀態(tài)統(tǒng)稱為非晶態(tài)。 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 非晶非晶 晶體晶體 非晶非晶 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 非晶非晶 晶體晶體 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 其一，非晶態(tài)固體中原子的取向和位置不具有長程有其一，非晶態(tài)固體中原子的取向和位置不具有長程有 序而具有序而具有短程有序短程有序; ; 其二，非晶態(tài)固體屬于熱力學(xué)的其二，非晶態(tài)固體屬于熱力學(xué)的亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)。 凡非晶態(tài)固體都共同遵守凡非晶態(tài)固體都共同遵守相同的結(jié)

3、構(gòu)特征相同的結(jié)構(gòu)特征 ! 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 三種不同狀態(tài)物質(zhì)中原子排列示意圖三種不同狀態(tài)物質(zhì)中原子排列示意圖 非非 晶晶 態(tài)態(tài) 固固 體體 晶晶 態(tài)態(tài) 固固 體體 晶晶 態(tài)態(tài) 固固 體體 氣氣 體體 非晶態(tài)固體中原子位置空間分布不是完全無規(guī)則的，非晶態(tài)固體中原子位置空間分布不是完全無規(guī)則的， 存在一種高度的存在一種高度的局域關(guān)聯(lián)性局域關(guān)聯(lián)性:每個原子有每個原子有3個與其個與其距離距離 幾乎相等的最近鄰原子幾乎相等的最近鄰原子，并且，并且鍵角也幾乎是相等鍵角也幾乎是相等的的 玻璃與晶體同樣具有玻璃與晶體同樣具有高度的短程有序

4、高度的短程有序 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 三種不同狀態(tài)物質(zhì)中原子排列示意圖三種不同狀態(tài)物質(zhì)中原子排列示意圖 晶晶 態(tài)態(tài) 固固 體體 非非 晶晶 態(tài)態(tài) 固固 體體 晶晶 態(tài)態(tài) 固固 體體 氣氣 體體 氣體原子排列是一個真正的無規(guī)則排列，并且隨時間而氣體原子排列是一個真正的無規(guī)則排列，并且隨時間而 改變，時間流逝的效果是，完全推翻圖上所示的氣體在改變，時間流逝的效果是，完全推翻圖上所示的氣體在 某一瞬時的結(jié)構(gòu)，原子的運動使氣體變成另一個無規(guī)則某一瞬時的結(jié)構(gòu)，原子的運動使氣體變成另一個無規(guī)則 排列；排列； 前兩者原子圍繞它們的前兩者原子

5、圍繞它們的平衡位置作振動平衡位置作振動，而后者原子可，而后者原子可 以自由地作以自由地作長距離不停地平移運動長距離不停地平移運動！ 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 從短程有序方面看從短程有序方面看： 金屬熔體的短程有序范圍為金屬熔體的短程有序范圍為4個原子間距，個原子間距， 而非晶態(tài)金屬的短程有序范圍為而非晶態(tài)金屬的短程有序范圍為56個原子間距；個原子間距； 從原子的微觀運動看從原子的微觀運動看： 熔體中原子容易作大于其原子間距的熱運動，熔體中原子容易作大于其原子間距的熱運動， 而非晶態(tài)固體中原子主要作運動距離遠(yuǎn)小于原子間距而非晶態(tài)固體

6、中原子主要作運動距離遠(yuǎn)小于原子間距 的熱振動。的熱振動。 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 1、結(jié)構(gòu)長程無序、結(jié)構(gòu)長程無序 2、短程有序、短程有序 3、與熔體結(jié)構(gòu)有質(zhì)的差別、與熔體結(jié)構(gòu)有質(zhì)的差別 4、宏觀均勻、各向同性（宏觀）、宏觀均勻、各向同性（宏觀） 5、結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)性結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)性 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 從熱力學(xué)觀點看，非晶態(tài)固體形成后屬亞穩(wěn)態(tài)，從熱力學(xué)觀點看，非晶態(tài)固體形成后屬亞穩(wěn)態(tài)， 非晶態(tài)是亞穩(wěn)相，非晶態(tài)是亞穩(wěn)相，亞穩(wěn)相容易在外界條件影響下亞穩(wěn)相容易在外界條件影響

7、下 發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)的各種變化發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)的各種變化，如產(chǎn)生結(jié)構(gòu)弛豫、相，如產(chǎn)生結(jié)構(gòu)弛豫、相 分離及非晶態(tài)晶化等。這些結(jié)構(gòu)上的變化必然引分離及非晶態(tài)晶化等。這些結(jié)構(gòu)上的變化必然引 起性能的改變。起性能的改變。 例如非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)弛豫過程，以及由亞穩(wěn)態(tài)向晶例如非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)弛豫過程，以及由亞穩(wěn)態(tài)向晶 態(tài)的轉(zhuǎn)化，都會影響態(tài)的轉(zhuǎn)化，都會影響材料的穩(wěn)定性和使用壽命材料的穩(wěn)定性和使用壽命。 因此，對任何有應(yīng)用價值的非晶態(tài)材料，都必須因此，對任何有應(yīng)用價值的非晶態(tài)材料，都必須 研究其穩(wěn)定性。研究其穩(wěn)定性。 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 放放 熱熱 非非

8、晶晶 固固 體體 晶化峰晶化峰 Tx Tg Tx Tg:玻璃轉(zhuǎn)變溫度玻璃轉(zhuǎn)變溫度 Tx:晶化溫度晶化溫度 非晶非晶晶體晶體 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 200nm 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 中科院物理所中科院物理所極端條件物理實驗室極端條件物理實驗室研究組最近成功研研究組最近成功研 制出具有超高強度和塑性的制出具有超高強度和塑性的 CuZr 基金屬玻璃材料基金屬玻璃材料。 該材料具有超高強度，斷裂強度達該材料具有超高強度，斷裂強度達 2265 MPa ，純，純 Cu 的

9、屈服強度約的屈服強度約 100 MPa ，同時具有一般非晶材料，同時具有一般非晶材料 中不具備的加工硬化效應(yīng)，尤其特別的是該材料具有中不具備的加工硬化效應(yīng)，尤其特別的是該材料具有 極大的延展性極大的延展性（約（約 20% ， 而一般非晶合金材料的塑而一般非晶合金材料的塑 性只有約性只有約 2% ）。專家分析，該材料非晶結(jié)構(gòu)在）。專家分析，該材料非晶結(jié)構(gòu)在原子原子 尺度的非均勻性能尺度的非均勻性能導(dǎo)致該材料的優(yōu)異力學(xué)性能。這是導(dǎo)致該材料的優(yōu)異力學(xué)性能。這是 在世界上在世界上首次首次用一般金屬材料研制出塑性非晶合金材用一般金屬材料研制出塑性非晶合金材 料。料。 4 2 5 1 1 0011 001

10、0 1010 1101 0001 0100 1011 物理：未來的材料物理：未來的材料- -非晶質(zhì)金屬非晶質(zhì)金屬 Physical Review Focus 2005 08 08 一種具有未來性的合金一種具有未來性的合金-非晶質(zhì)金屬也許有一天將結(jié)合非晶質(zhì)金屬也許有一天將結(jié)合 金屬原有的強度及導(dǎo)電性以及塑料的廉價及多變性，造金屬原有的強度及導(dǎo)電性以及塑料的廉價及多變性，造 成在許多工業(yè)上的大革命。例如：使汽車更便宜且更安成在許多工業(yè)上的大革命。例如：使汽車更便宜且更安 全或是使奈米組件更容易精密的成形。全或是使奈米組件更容易精密的成形。 鋼鐵的硬度很高，但是很難去塑型，一定要在很高的溫鋼鐵的硬度

11、很高，但是很難去塑型，一定要在很高的溫 度下，才能夠彎曲它或?qū)⑺饺肽＞咧?。一般的金屬是度下，才能夠彎曲它或?qū)⑺饺肽＞咧?。一般的金屬?由晶體所組合而成的，晶體的結(jié)構(gòu)可以使金屬具有延展由晶體所組合而成的，晶體的結(jié)構(gòu)可以使金屬具有延展 性不易斷裂。而性不易斷裂。而非晶質(zhì)金屬的結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的，或是說非晶質(zhì)金屬的結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的，或是說 在原子尺度下是無序的在原子尺度下是無序的，就像塑料或玻璃一樣。因此，就像塑料或玻璃一樣。因此， 非晶質(zhì)金屬通常就像玻璃般易碎。非晶質(zhì)金屬通常就像玻璃般易碎。 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 相反的，鋼鐵在經(jīng)過

12、擠壓后會變得更堅硬，所以人相反的，鋼鐵在經(jīng)過擠壓后會變得更堅硬，所以人 家說百煉而成鋼。然而，非晶質(zhì)金屬將來有可能變家說百煉而成鋼。然而，非晶質(zhì)金屬將來有可能變 得如得如鋼鐵般堅硬又如塑料般多變鋼鐵般堅硬又如塑料般多變。 在在2005年五月二十七日出版的年五月二十七日出版的 Physical Review Letters 中，有兩篇文章分別發(fā)表了兩種不同的非晶中，有兩篇文章分別發(fā)表了兩種不同的非晶 質(zhì)金屬，一種有如鋼鐵般堅硬，另一種則有如塑料質(zhì)金屬，一種有如鋼鐵般堅硬，另一種則有如塑料 般多變。般多變。 在由在由Jurgen Eckert所領(lǐng)軍的所領(lǐng)軍的Technical University

13、 of Darmstadt in Germany 以及以及 Wei Hua Wang of the Chinese Academy of Sciences in Beijing的團隊中，研的團隊中，研 究人員將適量的究人員將適量的鋁原子加入銅合金鋁原子加入銅合金中，得到了一種中，得到了一種 非晶質(zhì)材料。這種材料在壓力下會變得更堅硬，且非晶質(zhì)材料。這種材料在壓力下會變得更堅硬，且 比傳統(tǒng)的鋼更耐磨及抗腐蝕。比傳統(tǒng)的鋼更耐磨及抗腐蝕。 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 位于賴特帕特森空軍基地的美國空軍實驗室材料與制造位于賴特帕特森空軍基地的美

14、國空軍實驗室材料與制造 處的科學(xué)家及工程師會同大學(xué)的研究人員，在處的科學(xué)家及工程師會同大學(xué)的研究人員，在超韌納米超韌納米 復(fù)合材料涂層研究領(lǐng)域取得重大進展復(fù)合材料涂層研究領(lǐng)域取得重大進展，這種涂層可提高，這種涂層可提高 先進噴氣戰(zhàn)斗機用發(fā)動機的性能，并改進耐久性。先進噴氣戰(zhàn)斗機用發(fā)動機的性能，并改進耐久性。 通過縝密的研究、試驗，該研究小組發(fā)現(xiàn)并闡明了一種通過縝密的研究、試驗，該研究小組發(fā)現(xiàn)并闡明了一種 獨特的獨特的納米晶納米晶/ /非晶復(fù)合材料的動力學(xué)機理非晶復(fù)合材料的動力學(xué)機理，航空航天專，航空航天專 家們認(rèn)為，該種材料表現(xiàn)出家們認(rèn)為，該種材料表現(xiàn)出極高硬度極高硬度，并具有很高應(yīng)用，并具有

15、很高應(yīng)用 價值。到目前為止，該項研究成果已向戰(zhàn)斗機發(fā)動機進價值。到目前為止，該項研究成果已向戰(zhàn)斗機發(fā)動機進 行新技術(shù)移植提供了眾多機遇，小企業(yè)創(chuàng)新計劃的第一行新技術(shù)移植提供了眾多機遇，小企業(yè)創(chuàng)新計劃的第一 階段正試圖將其用于改進飛機推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并提高性階段正試圖將其用于改進飛機推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并提高性 能。與此同時，在民用航空領(lǐng)域也有巨大應(yīng)用潛力。能。與此同時，在民用航空領(lǐng)域也有巨大應(yīng)用潛力。 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 納米復(fù)合材料涂層的應(yīng)用背景之一是短距起飛垂直降落納米復(fù)合材料涂層的應(yīng)用背景之一是短距起飛垂直降落 推進系統(tǒng)零件，該零件摩擦副上施加了很大的預(yù)加載荷推進系統(tǒng)零件，該零件摩擦副上施加了很大的預(yù)加載荷 ，且通過表面強化獲得充分效益。，且通過表面強化獲得充分效益。 最初，材料與制造處非金屬材料部門的研究人員開發(fā)出最初，材料與制造處非金屬材料部門的研究人員開發(fā)出 一類用于航空航天器摩擦副的耐磨材料。這些材料是將一類用于航空航天器摩擦副的耐磨材料。這些材料是將 晶粒尺寸為晶粒尺寸為35納米的碳化物或氧化物嵌入由鉆石狀碳或納米