第6章 非晶態(tài)材料的制備課件.ppt

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1、非晶態(tài)材料的制備第六章1客觀世界是非線性、非平衡的復(fù)雜世界。自古希臘：人們向往世界的穩(wěn)定性、規(guī)則性、和諧性、有序性、因果性、本質(zhì)簡單性、周期性、對稱性……現(xiàn)在：人們越來越認(rèn)識到：我們所處的大千世界是以不穩(wěn)定動(dòng)力系統(tǒng)為特征的，充滿了：非平衡、非線性、非穩(wěn)定、非均勻、非可逆、非晶態(tài)、非連續(xù)、非周期、非對稱……一、引言2……錢學(xué)森每一層次的混沌是緊接著上一層次有序的基礎(chǔ)；沒有混沌，就死水一潭。不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的有序化，也就沒有生命。31960年，美國加州理工學(xué)院杜威教授采用急冷法制得非晶體至今，人們對非晶體材料的

2、研究已經(jīng)取得了巨大成就。過渡金屬-類金屬型合金開始用于各種變壓器、傳熱器鐵芯；非晶合金纖維已被用來作為復(fù)合材料的纖維強(qiáng)化；非晶鐵合金作為良好的電磁吸波劑，已用于隱身技術(shù)的研究領(lǐng)域；某些非晶合金具有良好催化性能；非晶硅和非晶半導(dǎo)體材料在太陽能電池和光電導(dǎo)器件方面的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。41.非晶態(tài)材料的基本概念（1）有序態(tài)和無序態(tài)根據(jù)組成物質(zhì)的原子模型，可將自然界中物質(zhì)狀態(tài)分為有序結(jié)構(gòu)和無序結(jié)構(gòu)兩大類。（2）長程有序和短程有序晶體中原子的排列是長程有序的；而非晶體是長程無序的，只是在幾個(gè)原子的范圍內(nèi)才呈現(xiàn)出短程

3、有序。（3）單晶體、多晶體、微晶體和非晶體二、非晶態(tài)材料的基本概念和基本性質(zhì)單晶體：原子在整塊材料中的排列都是規(guī)則有序的；多晶體微晶體非晶體：不存在晶粒和晶界，不具有長程有序。只有在晶粒內(nèi)部，原子的排列才是有序的；5（4）非晶態(tài)的基本定義一般認(rèn)為，組成物質(zhì)的原子、分子的空間排列不呈周期性和平移對稱性，晶態(tài)的長程有序受到破壞，只有由于原子間的相互關(guān)聯(lián)作用，使其在小于幾個(gè)原子間距的小區(qū)間內(nèi)（1~1.5nm），仍然保持形貌和組分的某些有序特征而具有短程有序，這樣一類特殊的物質(zhì)狀態(tài)統(tǒng)稱為非晶體。6非晶態(tài)材料在微

4、觀結(jié)構(gòu)上具有三個(gè)基本特征：（a）只存在小區(qū)間內(nèi)的短程有序，在近鄰和次近鄰原子間的鍵合（如配位數(shù)、原子間距、鍵角、鍵長等）具有一定的規(guī)律性，而沒有任何長程有序；（b）它的衍射花樣是由較寬的暈和彌撒環(huán)組成，沒有表征結(jié)晶態(tài)的任何斑點(diǎn)和條紋，用電鏡看不到晶粒、晶界、晶格缺陷等形成的衍襯反差；（c）當(dāng)溫度連續(xù)升高時(shí)，在某個(gè)很窄的溫區(qū)內(nèi)，會(huì)發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)相變，是一種亞穩(wěn)態(tài)材料。7（1）非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金又稱金屬玻璃，即非晶態(tài)合金具有金屬和玻璃的特征。非晶金屬玻璃材料中原子的排列是雜亂的，這種雜亂的原子排列賦予了它

5、一系列全新的特性。2.非晶態(tài)材料的分類8（2）非晶態(tài)半導(dǎo)體材料（a）四面體配置的非晶態(tài)半導(dǎo)體，如非晶Si和Ge；（b）硫系非晶態(tài)半導(dǎo)體，主要成分是周期表中的硫系；（c）玻璃態(tài)半導(dǎo)體，硫系非晶態(tài)半導(dǎo)體通過加熱-冷卻過程中發(fā)生晶態(tài)-非晶態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變。9（3）非晶態(tài)超導(dǎo)體關(guān)于非晶態(tài)超導(dǎo)體的研究可以追溯到20世紀(jì)50年代。1975年以后，采用液體金屬急冷法制備了多種具有超導(dǎo)電性的非晶態(tài)合金。目前已經(jīng)用快速淬火法制備了多種具有超導(dǎo)電性的非晶態(tài)材料。10（4）非晶態(tài)高分子材料早在20世紀(jì)50年代，希恩等人在晶態(tài)聚合

6、物的X射線衍射圖案中就曾發(fā)現(xiàn)過非晶態(tài)高分子聚合物的彌散環(huán)。這些實(shí)際結(jié)構(gòu)介于有序和無序之間，被認(rèn)為是結(jié)晶不好或部分有序結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)，許多高聚物塑料和組成人體的主要生命物質(zhì)以及液晶都屬于這一范疇。在聚合物中，連接的原子的單向性（不對稱性）呈現(xiàn)無規(guī)則變化時(shí)，該聚合物將形成無規(guī)立構(gòu)體，此時(shí)表現(xiàn)為非晶狀態(tài)。11（5）非晶體玻璃石英玻璃：石英玻璃的結(jié)構(gòu)是無序而均勻的，有序范圍大約是0.7~0.8nm。硅氧四面體[SiO4]之間的轉(zhuǎn)角寬度完全是無序分布的，[SiO4]以頂角相連，形成一種向三度空間發(fā)展的架狀結(jié)構(gòu)

7、。鈉鈣硅玻璃：在熔融石英玻璃中加入堿金屬氧化物，就會(huì)使原有的“大分子”發(fā)生解聚作用。使得氧的比值增大，開始出現(xiàn)非橋氧，使硅氧網(wǎng)絡(luò)發(fā)生斷裂。而堿金屬離子處于非橋氧附近的網(wǎng)穴中，形成了堿硅酸鹽玻璃。若在堿硅二元玻璃中加入CaO，可使玻璃的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生明顯的改善，獲得具有優(yōu)良性能的鈉鈣硅玻璃。硼酸鹽玻璃：B2O3玻璃由硼氧三角體[BO3]組成，其中含有三角體互相連接的硼氧三元環(huán)集團(tuán)，在低溫時(shí)B2O3玻璃結(jié)構(gòu)是由橋氧連接的硼氧三角體和氧三元環(huán)形成的向兩度空間發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)，屬于層狀結(jié)構(gòu)。12（1）高強(qiáng)度、高韌性3

8、.非晶態(tài)材料的特性非晶態(tài)合金的機(jī)械性能利用非晶態(tài)合金的高強(qiáng)度、高韌性，已經(jīng)開發(fā)了用于輪胎、傳送帶、水泥制品及高壓管道的增強(qiáng)纖維，還可以開發(fā)特殊切削刀具方面的應(yīng)用。13（2）抗腐蝕性金屬玻璃和不銹鋼在10w%FeCl3·6H2O溶液中的腐蝕率在中性鹽溶液和酸性溶液中，非晶態(tài)合金的耐腐蝕性能要比不銹鋼好得多。利用非晶態(tài)合金幾乎完全不受腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，可以制造耐蝕管道、電池電極、海底電纜屏蔽等。14（3）軟磁特性所謂“軟磁特性”是指磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)