非晶态金属

非晶态金属样品

非晶态金属（英语：Amorphous metal），是指在原子尺度上结构无序的一种金属材料。大部分金属材料具有很高的有序结构，原子呈现周期性排列（晶体），表现为平移对称性，或者是旋转对称，镜面对称，角对称（准晶体）等。而与此相反，非晶态金属不具有任何的长程有序结构，但具有短程有序和中程有序（中程有序正在研究中）。一般地，具有这种无序结构的非晶态金属可以从其液体状态直接冷却得到，故又称为“玻璃态”。所以，非晶态金属又称为“金属玻璃”（Glassy metal、Metallic Glass）、“玻璃态金属”、“液态金属”（Liquid metal）或大块金属玻璃（Bulk Metallic Glass，BMG）是一种具有较低冷却速度极限的非晶态金属，所以该种金属合金可以制备出尺度超过1毫米的金属片或金属圆柱。制备非晶态金属的方法包括：物理气相沉积、固相烧结法、离子辐射法、甩带法（连续铸造法其中一种）和机械法。

性质

常见的金属或合金大部分都是晶态金属。金属或合金呈现液态（熔融态）时，原子与原子间的金属键会被打断，晶格被破坏，这时如果缓慢冷却，原子和原子间会有序地排列，重新形成晶格，成为常见的晶态金属；如果快速冷却，原子间便会以无序的方式堆积，就会形成非晶态金属。可以以晶态金属为原料制造非晶态金属，构成两者的原子种类相同而排列结构不同，所以在力学、电磁学或化学性质方面都有些许不同之处，化学式表示法也有些许不同，通常晶态金属会以最简式表达，非晶态金属则会写成结构简式。

块状的的非晶态金属硬度（钛的2倍）、强度（钛的3倍）与抗永久变形能力都非常好，然而其剪切带（shear band）在高度受力时较材料的其他处更容易变形，进而可能导致整块金属断裂。此问题尚有待克服。

薄膜状的非晶体金属不像块状时容易发生断裂，没有晶界，有疏水性而不容易沾黏，能阻隔某些杂质的原子扩散到重要元件内，可应用在医疗与半导体产业上。

与晶态金属不同，非晶态金属必须要经过玻璃转化温度(Tg)、结晶化温度(Tx)与液态温度后才会由固态转为液态（晶态金属只要超过熔点便会转为液态），且在此期间非晶态金属会呈现介于固态和液态间的过冷液相，具有非常高的可塑性。

由于铁基非晶态金属不具长程有序结构，其磁化及消磁均较一般磁性材料容易。因此，以铁基非晶合金作为磁芯的非晶合金变压器，铁损(即空载损耗)要比一般采用硅钢作为铁芯的传统变压器低70-80%，对电网节能降耗有积极作用。。

发展历史

1960年，W. Klement (Jr.), Willens 和 Duwez 首次制备观察到了世界上第一块金属玻璃材料—— (Au₇₅Si₂₅)合金。 早期发现具有玻璃形成能力的合金均是在急速冷却下制备（降温速率在1百万开尔文每秒, 10⁶ K/s），阻碍结晶过程。 为了达到冷却速率阈值，这类材料的形貌在某个维度上要足够小，典型的如带状、箔状、线状等，其厚度要小于100微米。

1969年，发现合金77.5% 钯、6% 铜、16.5% 硅的玻璃化临界降温速率仅在 100 到 1000 K/s之间。

1976年， H. Liebermann 和 C. Graham 发展一类新型非晶金属制备方法，通过单辊甩带机实现骤冷 实验中采用的合金由铁、镍、磷和硼构成。在1980年代初投入商业应用，是低损耗输电变压器的核心构件（非晶合金变压器）

80年代初，通过热冷循环处理后的表面刻蚀，Pd₅₅Pb_22.5Sb_22.5合金形成的玻璃态块材直径达到5毫米。

1988年，发现镧系、铝系和铜系合金有着较高的玻璃形成能力。

90年代，新型合金的玻璃态临界降温速率降至1K/s。这一降温速率在普通的模具浇铸法中即可实现。 这些块状的非晶合金铸件厚度可达数厘米（最大厚度与合金种类相关）。

玻璃形成能力最强的合金来自锆系和钯系。铁系、钛系、铜系、镁系等合金的也具备玻璃形成能力。 许多非晶合金的形成借助了一类的“混合效应”。

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