非晶和納米晶的介紹

一、非晶合金

1.1 什么是晶體

      物質(zhì)就其原子排列方式來(lái)說(shuō)，可以劃分為晶體和非晶體兩類(lèi)。有些物質(zhì)里面的原子排列是整齊有序的，就象閱兵式上的士兵，這叫做晶體，比如食鹽、鉆﹡、普通的鋼鐵就是這樣。

1.2 什么是非晶體

      也有些物質(zhì)的原子排列是混亂的，就象一堆鋼球的混亂堆積，這叫做非晶體，比如液體、氣體、玻璃、塑料等。

1.3 什么是非晶合金

      對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，通常情況下，金屬及合金在從液體凝固成固體（例如煉鋼后的鋼水凝固成鋼錠）時(shí)，原子總是從液體的混亂排列轉(zhuǎn)變成整齊的排列，即成為晶體。因?yàn)橹挥羞@樣，其結(jié)構(gòu)才﹡穩(wěn)定。但是，如果金屬或合金的凝固速度非常快（例如用每秒高達(dá)一百萬(wàn)度的冷卻速率將鐵－硼合金熔體凝固），原子來(lái)不及整齊排列便被凍結(jié)住了，﹡終的原子排列方式類(lèi)似于液體，是混亂的，這就是非晶合金。因?yàn)榉蔷Ш辖鹪拥幕靵y排列情況類(lèi)似于玻璃，所以又稱(chēng)為金屬玻璃。

1.4 什么樣的物質(zhì)能夠制造成非晶呢

      從理論上說(shuō)，任何物質(zhì)主要它的液體冷卻足夠快，原子來(lái)不及整齊排列就凝固，那么原子在液態(tài)時(shí)的混亂排列被迅速凍結(jié)，就可以形成非晶。但是，不同的物質(zhì)形成非晶所需要的冷卻速度大不相同。例如，普通的玻璃只要慢慢冷卻下來(lái)，得到的玻璃就是非晶態(tài)的。而單一的金屬則需要每秒高達(dá)一億度以上的冷卻速度才能形成非晶態(tài)。由于目前工藝水平的限制，實(shí)際生產(chǎn)中難以達(dá)到如此高的冷卻速度，也就是說(shuō)，普通的單一的金屬難以從生產(chǎn)上制成非晶。

1.5 如何獲得非晶態(tài)的金屬

      為了獲得非晶態(tài)的金屬，一般將金屬與其它物質(zhì)混合。當(dāng)原子尺寸和性質(zhì)不同的幾種物質(zhì)搭配混合后，就形成了合金。這些合金具有兩個(gè)重要性質(zhì)：

      A 、合金的成分一般在冶金學(xué)上的所謂 “ 共晶 ” 點(diǎn)附近，它們的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于純金屬，例如 FeSiB 合金的熔點(diǎn)一般為 1200 度以下，而純鐵的熔點(diǎn)為 1538 度；

      B 、由于原子的種類(lèi)多了，合金在液體時(shí)它們的原子更加難以移動(dòng)，在冷卻時(shí)更加難以整齊排列，也就是說(shuō)更加容易被 “ 凍結(jié) ” 成非晶。

      有了上面的兩個(gè)重要條件，合金才可能比較容易地形成非晶。例如，鐵和硼的合金只需要每秒一百萬(wàn)度的冷卻速度就可以形成非晶。實(shí)際上，目前所有的實(shí)用非晶合金都是兩種或更多種元素組成的合金，例如Fe-Si-B ， FeNiPB ， CoZr ， ZrTiCuNi 等。

      迄今為止，國(guó)內(nèi)外非晶合金開(kāi)發(fā)﹡多的是作為軟磁材料的一類(lèi)。它們?cè)诨瘜W(xué)成分上的一個(gè)共同點(diǎn)是：由兩類(lèi)元素組成：一類(lèi)是鐵磁性元素（鐵、鈷、鎳或者他們的組合），它們用來(lái)產(chǎn)生磁性；另一類(lèi)是硅、硼、碳等，它們稱(chēng)為類(lèi)金屬，也叫做玻璃化元素，有了它們，合金的熔點(diǎn)比純金屬降低了很多，才容易形成非晶。

1.6 目前，非晶軟磁合金所達(dá)到的﹡好單項(xiàng)性能水平為：

初始磁導(dǎo)率μ0 = 14 × 104 鈷基非晶

﹡大磁導(dǎo)率μm = 220 × 104 鈷基非晶

矯頑力Hc = 0.001 Oe 鈷基非晶

矩形比Br/Bs = 0.995 鈷基非晶

飽和磁化強(qiáng)度4πMs = 18300 Gs 鐵基非晶

電阻率ρ = 270 微歐厘米

      常用的非晶合金的種類(lèi)有：鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金。其國(guó)家牌號(hào)及性能特點(diǎn)見(jiàn)表及圖所示，為便于對(duì)比，也列出晶態(tài)合金硅鋼片、坡莫合金1J79 及鐵氧體的相應(yīng)性能。這幾類(lèi)材料各有不同的特點(diǎn)，在不同的方面得到應(yīng)用。

牌號(hào)基本成分和特征

1K101 Fe-Si-B 系快淬軟磁鐵基合金

1K102 Fe-Si-B-C 系快淬軟磁鐵基合金

1K103 Fe-Si-B-Ni 系快淬軟磁鐵基合金

1K104 Fe-Si-B-Ni Mo 系快淬軟磁鐵基合金

1K105 Fe-Si-B-Cr(及其他元素)系快淬軟磁鐵基合金

1K106 高頻低損耗Fe-Si-B 系快淬軟磁鐵基合金

1K107 高頻低損耗Fe-Nb-Cu-Si-B 系快淬軟磁鐵基納米晶合金

1K201 高脈沖磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金

1K202 高剩磁比快淬軟磁鈷基合金

1K203 高磁感低損耗快淬軟磁鈷基合金

1K204 高頻低損耗快淬軟磁鈷基合金

1K205 高起始磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金

1K206 淬態(tài)高磁導(dǎo)率軟磁鈷基合金

1K501 Fe-Ni-P-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金

1K502 Fe-Ni-V-Si-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金

二、納米晶合金

在上面所說(shuō)的非晶合金中，原子的排列是宏觀上混亂無(wú)序的。正是由于這種特殊結(jié)構(gòu)，使得非晶合金具有一些*的性質(zhì)，其中優(yōu)良的磁性能就是典型的例子。所以，以前的非晶合金在使用時(shí)，必須保證它們處于非晶態(tài)。下面將提到，一般的非晶合金存在著發(fā)生晶化的可能性，一旦在晶化溫度以上退火，材料內(nèi)部的原子排列就變成了有序的，也就是說(shuō)成為晶體，而且晶粒組織很粗大，這時(shí)非晶合金原有的磁性能就會(huì)喪失。因此，一般的非晶合金都要在非晶狀態(tài)下使用。

      但是，自從八十年代，日本的吉澤克仁等發(fā)現(xiàn)，含有 Cu 和 Nb 的鐵基非晶合金在晶化溫度以上退火時(shí)，會(huì)形成非常細(xì)小的晶粒組織，晶粒尺寸僅有 10 － 20 納米。這時(shí)材料磁性能不僅不惡化，反而非常優(yōu)良。這種非晶合金經(jīng)過(guò)特殊的晶化退火而形成的晶態(tài)材料稱(chēng)為納米晶合金（以前也曾稱(chēng)為超微晶合金）。鐵基納米晶合金的磁性能幾乎能夠和非晶合金中﹡好的鈷基非晶合金相比，但是卻不含有昂貴的鈷，所以被廣泛應(yīng)用于高頻變壓器鐵芯，替代鐵氧體和坡莫合金等。