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非晶態金屬

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非晶態金屬樣品

非晶態金屬(英語:Amorphous metal),是指在原子尺度上結構無序的一種金屬材料。大部分金屬材料具有很高的有序結構,原子呈現周期性排列(晶體),表現為平移對稱性,或者是旋轉對稱,鏡面對稱,角對稱(准晶體)等。而與此相反,非晶態金屬不具有任何的長程有序結構,但具有短程有序和中程有序(中程有序正在研究中)。一般地,具有這種無序結構的非晶態金屬可以從其液體狀態直接冷卻得到,故又稱為「玻璃態」。所以,非晶態金屬又稱為「金屬玻璃」(Glassy metal、Metallic Glass)、「玻璃態金屬」、「液態金屬」(Liquid metal)或塊狀金屬玻璃(Bulk Metallic Glass,BMG)是一種具有較低冷卻速度極限的非晶態金屬,所以該種金屬合金可以製備出尺度超過1毫米的金屬片或金屬圓柱。製備非晶態金屬的方法包括:物理氣相沉積、固相燒結法、離子輻射法、甩帶法(連續鑄造英語continuous casting法其中一種)和機械法。

性質

常見的金屬或合金大部分都是晶態金屬。金屬或合金呈現液態(熔融態)時,原子與原子間的金屬鍵會被打斷,晶格被破壞,這時如果緩慢冷卻,原子和原子間會有序地排列,重新形成晶格,成為常見的晶態金屬;如果快速冷卻,原子間便會以無序的方式堆積,就會形成非晶態金屬[1]。可以以晶態金屬為原料製造非晶態金屬,構成兩者的原子種類相同而排列結構不同,所以在力學、電磁學或化學性質方面都有些許不同之處[2]化學式表示法也有些許不同,通常晶態金屬會以最簡式表達,非晶態金屬則會寫成結構簡式

塊狀的的非晶態金屬硬度(的2倍)、強度(鈦的3倍)與抗永久變形能力都非常好,然而其剪切帶(shear band)在高度受力時較材料的其他處更容易變形,進而可能導致整塊金屬斷裂。此問題尚有待克服[3]

薄膜狀的非晶體金屬不像塊狀時容易發生斷裂,沒有晶界,有疏水性而不容易沾黏,能阻隔某些雜質的原子擴散到重要元件內,可應用在醫療與半導體產業上[4]

與晶態金屬不同,非晶態金屬必須要經過玻璃轉化溫度(Tg)、結晶化溫度(Tx)與液態溫度後才會由固態轉為液態(晶態金屬只要超過熔點便會轉為液態),且在此期間非晶態金屬會呈現介於固態和液態間的過冷液相,具有非常高的可塑性。[5]

由於鐵基非晶態金屬不具長程有序結構,其磁化及消磁均較一般磁性材料容易。因此,以鐵基非晶合金作為磁芯的非晶合金變壓器,鐵損(即空載損耗)要比一般採用矽鋼作為鐵芯的傳統變壓器低70-80%,對電網節能降耗有積極作用。[6]

發展歷史

1960年,W. Klement (Jr.), Willens 和 Duwez 首次製備觀察到了世界上第一塊金屬玻璃材料—— (Au75Si25)合金[7] 早期發現具有玻璃形成能力的合金均是在急速冷卻下製備(降溫速率在1百萬開爾文每秒, 106 K/s),阻礙結晶過程。 為了達到冷卻速率閾值,這類材料的形貌在某個維度上要足夠小,典型的如帶狀、箔狀、線狀等,其厚度要小於100微米

1969年,發現合金77.5% 、6% 、16.5% 的玻璃化臨界降溫速率僅在 100 到 1000 K/s之間。

1976年, H. Liebermann 和 C. Graham 發展一類新型非晶金屬製備方法,通過單輥甩帶機實現驟冷[8] 實驗中採用的合金由構成。在1980年代初投入商業應用,是低損耗輸電變壓器的核心構件(非晶合金變壓器

80年代初,通過熱冷循環處理後的表面刻蝕,Pd55Pb22.5Sb22.5合金形成的玻璃態塊材直徑達到5毫米。

1988年,發現鑭系、鋁系和銅系合金有着較高的玻璃形成能力。

90年代,新型合金的玻璃態臨界降溫速率降至1K/s。這一降溫速率在普通的模具澆鑄法中即可實現。 這些塊狀的非晶合金鑄件厚度可達數厘米(最大厚度與合金種類相關)。

玻璃形成能力最強的合金來自鋯系和鈀系。鐵系、鈦系、銅系、鎂系等合金的也具備玻璃形成能力。 許多非晶合金的形成藉助了一類的「混合效應」。

參考資料

  1. ^ 何鎮揚. 金屬玻璃(Metallic Glass). 國立台灣大學. 2009-07-29 [2021-07-29]. (原始內容存檔於2020-05-26) (中文). 金屬或合金在融熔狀態下緩慢冷卻,得到的是晶態金屬或晶態合金。如果在融熔狀態下以極高的速度驟冷(冷卻速度為 106 K/s),因原子來不及有序化排列,形成的是非晶態金屬或合金... 
  2. ^ 何鎮揚. 金屬玻璃(Metallic Glass). 國立台灣大學. 2009-07-29 [2021-07-29]. (原始內容存檔於2020-05-26) (中文). 金屬玻璃與晶態金屬相比,雖然化學成分相似甚至相同,但由於結構不同,無論在力學、電學、磁學及化學性質等方面都有一定的獨特之處 
  3. ^ 薛承輝. 金屬玻璃之發展與應用 (PDF). 台大校友雙月刊. 2015, (98期): P.8–P.9 [2021-07-29]. (原始內容 (PDF)存檔於2021-07-29). 
  4. ^ 薛承輝. 金屬玻璃之發展與應用 (PDF). 台大校友雙月刊. 2015, (98期): P.10 [2021-07-29]. (原始內容 (PDF)存檔於2021-07-29). 
  5. ^ 薛承輝. 金屬玻璃之發展與應用 (PDF). 台大校友雙月刊. 2015, (98期): P.8 [2021-07-29]. (原始內容 (PDF)存檔於2021-07-29). 
  6. ^ 詳見"國家電網公司重點應用新技術目錄(2006年第一批), ISBN 978-7-5083-5266-4"
  7. ^ Klement, W.; Willens, R. H.; Duwez, POL. Non-crystalline Structure in Solidified Gold-Silicon Alloys. Nature. 1960, 187 (4740): 869–870. Bibcode:1960Natur.187..869K. doi:10.1038/187869b0. 
  8. ^ Libermann H. and Graham C. Production Of Amorphous Alloy Ribbons And Effects Of Apparatus Parameters On Ribbon Dimensions. IEEE Transactions on Magnetics. 1976, 12 (6): 921. Bibcode:1976ITM....12..921L. doi:10.1109/TMAG.1976.1059201. 

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