非晶態金屬

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。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，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（鈦的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。

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。

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。

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。。

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。 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% 鈀、6% 銅、16.5% 矽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 實驗中採用的合金由鐵、鎳、磷和硼構成。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，Pd₅₅Pb_22.5Sb_22.5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」。

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