《非晶材料制備技術(shù)》課件

非晶材料的制備技術(shù)非晶材料是一種特殊的無定形固體材料,具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能,在許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。本節(jié)將介紹幾種制備非晶材料的主要方法。課程介紹課程大綱系統(tǒng)介紹非晶材料的發(fā)展歷程、制備方法、性能特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。授課對象材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生、從事非晶材料研究開發(fā)的工程師。課程目標(biāo)了解非晶材料的基礎(chǔ)知識,掌握常用制備技術(shù),分析其結(jié)構(gòu)特征和性能優(yōu)勢。非晶材料的定義及特點(diǎn)無長程有序非晶材料是一種非晶態(tài)固體,其原子結(jié)構(gòu)沒有長程有序排列,呈現(xiàn)無規(guī)則的分布。高原子包容性非晶材料可以容納較大比例的雜質(zhì)原子,形成穩(wěn)定的固溶體結(jié)構(gòu)。優(yōu)異物理性能非晶材料通常具有良好的力學(xué)特性、磁性、電性和耐腐蝕性等優(yōu)異性能。制備工藝靈活非晶材料可通過多種制備方法如熔體急冷、物理氣相沉積等獲得。非晶材料的發(fā)展歷程11960年代非晶合金問世，引發(fā)了新材料科學(xué)研究熱潮。21970年代非晶金屬制備技術(shù)不斷完善，性能研究深入。31980年代非晶材料應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，進(jìn)入工業(yè)化階段。41990年代功能性非晶材料研發(fā)取得重大突破，應(yīng)用成熟。521世紀(jì)非晶材料種類日益豐富，正進(jìn)入新一輪創(chuàng)新期。非晶材料從問世至今經(jīng)歷了近60年的發(fā)展歷程。經(jīng)歷了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用開發(fā)再到產(chǎn)業(yè)化的過程，有力推動(dòng)了材料科學(xué)的發(fā)展。目前非晶材料已廣泛應(yīng)用于電子、能源、生物醫(yī)療等領(lǐng)域，并且正在不斷涌現(xiàn)新的突破性進(jìn)展。非晶金屬合金的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)無長程有序非晶金屬合金是無規(guī)則的、無定型的原子排列結(jié)構(gòu),缺乏典型金屬的長程有序原子排列。短程有序盡管整體無長程有序,但仍保留了一定程度的短程有序性,呈現(xiàn)類似于液體的原子排列。松散結(jié)構(gòu)相比晶體金屬,非晶金屬的原子排列更為松散和無規(guī)則,導(dǎo)致其密度通常低于結(jié)晶金屬。高穩(wěn)定性這種獨(dú)特的原子排列結(jié)構(gòu)使非晶金屬具有高度的穩(wěn)定性和抗失效性能。非晶材料的制備方法熔體急冷法通過將金屬合金熔體快速冷卻,可以獲得平衡相外的非晶結(jié)構(gòu)。這種方法可以制備出厚度僅幾十微米的非晶金屬帶材。物理氣相沉積法利用真空蒸發(fā)、濺射等物理方法將金屬和半導(dǎo)體材料沉積在基板上,可以制備出非晶薄膜材料。溶膠-凝膠法通過溶膠-凝膠過程,可以制備出多種非晶無機(jī)材料,如非晶氧化物、磷酸鹽等。這種方法具有較好的成本優(yōu)勢。機(jī)械合金化法將不同成分的金屬粉末在高能球磨機(jī)中機(jī)械激活,可以制備出各種復(fù)雜組成的非晶合金粉末。熔體急冷法快速降溫熔體急冷法通過將金屬或合金熔體迅速冷卻至低于玻璃轉(zhuǎn)變溫度的方式,可以獲得非晶態(tài)固體材料。多種實(shí)現(xiàn)方式包括旋轉(zhuǎn)滾筒、離心噴濺、浸入液體冷卻劑等,可根據(jù)材料特性和制備要求選擇合適的方法。優(yōu)勢特點(diǎn)該法可制備出組織均勻、機(jī)械性能優(yōu)異的非晶合金薄帶或粉末,適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。物理氣相沉積法真空蒸發(fā)將原材料加熱至蒸發(fā)狀態(tài),在真空環(huán)境中將蒸汽沉積在基板表面,形成薄膜?？芍苽浣饘?、陶瓷及合金薄膜。磁控濺射利用高能離子轟擊靶材,將靶材原子濺射到基板表面,以此沉積薄膜。可實(shí)現(xiàn)精密控制和大面積均勻沉積。離子鍍在真空環(huán)境中,使用電子束或電弧等加熱方式蒸發(fā)材料,并通過離子轟擊的方式在基板上沉積薄膜?？芍苽渲旅?、附著力強(qiáng)的薄膜。溶膠-凝膠法原理溶膠-凝膠法利用溶液中的化學(xué)反應(yīng),生成膠狀物質(zhì),再通過脫水和熱處理制備非晶材料。這種方法可以在低溫下制備納米級非晶材料。優(yōu)點(diǎn)溶膠-凝膠法能夠很好地控制材料的成分和微觀結(jié)構(gòu),產(chǎn)品純度高,制備溫度較低。適合制備一些復(fù)雜的非晶合金。步驟該方法主要包括溶膠形成、凝膠化、干燥和熱處理等步驟。通過調(diào)節(jié)各個(gè)步驟的參數(shù),可以控制非晶材料的結(jié)構(gòu)和性能。應(yīng)用溶膠-凝膠法廣泛應(yīng)用于制備各種氧化物玻璃、陶瓷、涂層等非晶材料,特別適用于制備復(fù)雜組分的非晶材料。機(jī)械合金化法高能球磨機(jī)高能球磨機(jī)利用高速運(yùn)動(dòng)的陶瓷或金屬球?qū)υ线M(jìn)行機(jī)械破碎和混合,從而實(shí)現(xiàn)非晶材料的制備。該方法簡單易行,適用于大規(guī)模生產(chǎn)。多階段合金化機(jī)械合金化過程通常需要進(jìn)行多個(gè)階段,包括預(yù)先混合、球磨、后續(xù)熱處理等步驟,以確保獲得所需的非晶組織和性能。非晶粉末制備通過機(jī)械合金化可以制備出非晶態(tài)金屬粉末,這種粉末具有很高的比表面積和活性,為后續(xù)加工和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。非晶材料的性能1力學(xué)性能優(yōu)異非晶材料具有高強(qiáng)度、高硬度和高彈性等優(yōu)異的力學(xué)性能,能夠承受較大的應(yīng)力而不發(fā)生塑性變形。2磁性能卓越非晶金屬具有極低的磁損耗和高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,廣泛應(yīng)用于高效變壓器和電機(jī)等電磁設(shè)備。3耐腐蝕性強(qiáng)非晶材料的高度無序結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性,在惡劣環(huán)境下仍能保持良好的使用性能。4良好的工藝性非晶材料容易制造成薄膜和納米結(jié)構(gòu),為微電子和納米技術(shù)提供了優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)材料。力學(xué)性能高抗拉強(qiáng)度非晶金屬具有比結(jié)晶金屬更高的抗拉強(qiáng)度，可達(dá)2-3倍。這是由于原子結(jié)構(gòu)無長程有序,沒有晶粒界而減少位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。高彈性非晶金屬的彈性模量通常較高,可達(dá)結(jié)晶金屬的2倍以上。這使其具有良好的緩沖性能和減震性能。高硬度非晶金屬材料一般具有較高的硬度,可達(dá)結(jié)晶合金的2-3倍。這是由于其無序的原子結(jié)構(gòu)阻礙位錯(cuò)滑移和晶界滑移。磁性能磁化性能非晶材料具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和高初磁導(dǎo)率等優(yōu)異的磁性能。軟磁性能非晶材料的磁滯回線窄,矯頑力小,具有優(yōu)異的軟磁性能。高頻性能非晶金屬具有高電阻率,在高頻電磁場中表現(xiàn)出卓越的性能。耐腐蝕性強(qiáng)大的防腐蝕能力非晶材料具有獨(dú)特的原子排列結(jié)構(gòu),使其表面無缺陷,從而表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性。這使其在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用得以廣泛應(yīng)用。適應(yīng)各種腐蝕環(huán)境無論是海洋、化工、電子等各種腐蝕性環(huán)境,非晶材料均能夠提供出色的防護(hù)性能,大幅延長使用壽命。廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域憑借優(yōu)異的抗腐蝕特性,非晶材料被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、電子元件、建筑結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域,成為理想的防腐材料。非晶材料的應(yīng)用領(lǐng)域先進(jìn)電子設(shè)備非晶金屬合金憑借其出色的軟磁性能和高頻損耗特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于電子變壓器、感應(yīng)線圈和電機(jī)等先進(jìn)電子設(shè)備中。生物醫(yī)療材料由于非晶材料具有出色的生物相容性和耐腐蝕性,在人工關(guān)節(jié)、牙科修復(fù)及組織工程等生物醫(yī)療領(lǐng)域廣受歡迎。航空航天裝備非晶合金輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)使其在飛機(jī)、航天器等輕量化裝備中廣泛應(yīng)用,大幅提高了設(shè)備性能。工業(yè)裝備部件非晶材料優(yōu)異的綜合性能使其成為理想的工業(yè)裝備零部件材料,如齒輪、軸承等。軟磁材料高性能軟磁材料具有高磁導(dǎo)率、低損耗、高飽和磁化強(qiáng)度等優(yōu)異的磁性能,能夠在各種電磁設(shè)備中發(fā)揮重要作用。廣泛應(yīng)用軟磁材料被廣泛應(yīng)用于電機(jī)、變壓器、電感等電磁設(shè)備,以及電子信息、能源、汽車等領(lǐng)域。持續(xù)發(fā)展隨著新型軟磁材料的不斷出現(xiàn),如納米晶合金和非晶合金,軟磁材料在未來將有更廣闊的應(yīng)用前景。金屬玻璃1獨(dú)特結(jié)構(gòu)金屬玻璃是一種無定型金屬材料,具有無長程有序的原子結(jié)構(gòu),呈非晶固態(tài)。2卓越性能金屬玻璃具有高強(qiáng)度、高硬度、低導(dǎo)電性、高耐腐蝕性等優(yōu)異機(jī)械和物理性能。3制備方法主要采用熔體急冷法,可制備成各種形狀的薄膜、帶材或帶箔。4廣泛應(yīng)用廣泛應(yīng)用于電子、航空航天、能源等領(lǐng)域,是一種重要的新型功能材料。生物醫(yī)用材料組織修復(fù)非晶材料具有優(yōu)異的生物相容性和可生物降解性,可用于制造骨科植入物、人工心臟瓣膜等生物醫(yī)用材料。智能仿生非晶合金可模仿人體組織的結(jié)構(gòu)和功能,開發(fā)出諸如智能假肢、生物傳感器等先進(jìn)的生物醫(yī)用器械。藥物緩釋非晶材料可用作藥物載體,控制藥物的釋放速率,提高治療效果,減少不良反應(yīng)。納米非晶材料納米尺度納米非晶材料的結(jié)構(gòu)尺度在納米級別,小至幾個(gè)原子直徑。這種超小尺度賦予了獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。量子效應(yīng)納米尺度下,量子效應(yīng)開始顯現(xiàn),材料性能表現(xiàn)出異常的電學(xué)、光學(xué)和磁性能。超大比表面積納米尺度下,材料的比表面積大幅增加,催化活性、吸附性能都得到顯著提升。新型非晶材料的發(fā)展趨勢1高性能非晶合金研究人員正在開發(fā)具有更高強(qiáng)度、韌性和耐磨性的新型非晶合金材料。這些材料可用于航空、汽車和工業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域。2功能性非晶材料新一代的非晶材料不僅具有優(yōu)異的機(jī)械性能，還可擁有獨(dú)特的磁性、光學(xué)或電學(xué)性能。這些功能性非晶材料廣泛應(yīng)用于電子、能源和生物醫(yī)療等領(lǐng)域。3柔性非晶材料柔性非晶材料采用新的合金設(shè)計(jì)和制備技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)可塑性和可折曲性。這類材料未來可用于柔性電子設(shè)備和可穿戴技術(shù)。高性能非晶合金高強(qiáng)度和硬度由于無長程有序結(jié)構(gòu)和高原子密度，高性能非晶合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能，達(dá)到了鋼鐵材料的強(qiáng)度水平。耐腐蝕性能無晶界、缺陷少的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使得高性能非晶合金在腐蝕性環(huán)境中表現(xiàn)出出色的耐腐蝕性。廣泛應(yīng)用領(lǐng)域高性能非晶合金被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、電子電器、生物醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。功能非晶材料獨(dú)特性能功能非晶材料憑借其無規(guī)則的原子結(jié)構(gòu),展現(xiàn)出許多傳統(tǒng)晶態(tài)材料所沒有的優(yōu)異性能,如高強(qiáng)度、耐腐蝕性、超導(dǎo)特性等。這些獨(dú)特的性能使其在電子、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。應(yīng)用領(lǐng)域功能非晶材料可用于制造高性能電磁屏蔽件、軟磁核心、生物醫(yī)療植入物等。它們還可作為先進(jìn)能源存儲材料,如用于制造鋰離子電池負(fù)極。發(fā)展趨勢隨著材料合成和加工技術(shù)的進(jìn)步,科研人員正在開發(fā)出新型功能非晶材料,如形狀記憶合金、高溫超導(dǎo)材料等。未來它們必將在工業(yè)和日常生活中扮演更加重要的角色。柔性非晶材料優(yōu)異的力學(xué)性能柔性非晶材料具有高強(qiáng)度、優(yōu)異的彈性和塑性變形能力,可應(yīng)用于可彎曲電子、柔性機(jī)器人等領(lǐng)域。獨(dú)特的形變機(jī)理柔性非晶材料通過原子的局部重排實(shí)現(xiàn)可逆的大變形,相比晶體材料更具有柔韌性?？啥ㄖ频墓δ苄酝ㄟ^調(diào)節(jié)化學(xué)組成和制備工藝,柔性非晶材料可實(shí)現(xiàn)多種功能性,如導(dǎo)電、傳感等。廣闊的應(yīng)用前景柔性非晶材料在柔性電子、仿生機(jī)器、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。總結(jié)回顧關(guān)鍵點(diǎn)本課程概括性地介紹了非晶材料的定義、特點(diǎn)、發(fā)展歷程、制備方法、性能及應(yīng)用領(lǐng)域等。發(fā)展趨勢未來非晶材料將朝著高性能、多功能、柔性化的方向發(fā)展,在軟磁、金屬玻璃、生物醫(yī)用等領(lǐng)域擁有廣闊應(yīng)用前景。常見問題本課程最后還將針對一些常見問題進(jìn)行解答,幫助大家更好地理解和應(yīng)用非晶材料技術(shù)。常見問題解答在學(xué)習(xí)和應(yīng)用非晶材料技術(shù)過程中，可能會遇到一些常見的問題和疑惑。我們精心整理了幾個(gè)代表性的問題,并提供了詳細(xì)的解答,希望能幫助您更好地理解和掌握非晶材料的相關(guān)知識。什么是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)?它與結(jié)晶態(tài)有什么不同?非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是一種無序的原子排列狀態(tài),不存在長程有序的原子排列。與之相比,結(jié)晶態(tài)材料具有規(guī)則有序的原子排列。這種結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致非晶材料呈現(xiàn)出獨(dú)特的物理化學(xué)性能。非晶材料都有哪些制備方法?哪種方法最常用?常見的非晶材料制備方法包括熔體急冷法、物理氣相沉積法、溶膠-凝膠法和機(jī)械合金化法等。其中,熔體急冷法是最常用和最成熟的制備方法,能夠獲得成分可控的非晶合金薄帶或粉末。非晶材料相比于結(jié)晶材料有哪些獨(dú)特的性能優(yōu)勢?非晶材料通常表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)、磁學(xué)、耐腐蝕性