液態(tài)金屬及其應(yīng)用全套

液態(tài)金屬及其應(yīng)用01簡介液態(tài)金屬也稱非晶合金或金屬玻璃，是一種新型的金屬合金。液態(tài)金屬擁有獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)，其原子排列完全無序，而傳統(tǒng)金屬材料原子結(jié)構(gòu)則排列有序。它是金屬卻有了流動的形態(tài)；它極輕卻又極強(qiáng)、極硬，是超越鋁、鎂、鈦等傳統(tǒng)輕合金的顛覆性材料；它可一次性成型，無需機(jī)加工的繁復(fù)程序；它是輕合金材料的顛覆者，可應(yīng)用于3C、汽車、醫(yī)療等多個領(lǐng)域，正在逐步占領(lǐng)市場。02非晶合金的特點(diǎn)非晶合金的特點(diǎn)主要取決于其不定型的原子結(jié)構(gòu)，沒有特定的晶格結(jié)構(gòu)，所以導(dǎo)致非晶合金具有極佳的力學(xué)特性，如高強(qiáng)度、高硬度等機(jī)械性能，但是在電力學(xué)性能和化學(xué)性能上沒有明顯的優(yōu)勢。（1）高強(qiáng)韌性：明顯高于傳統(tǒng)的鋼鐵材料，可以作復(fù)合增強(qiáng)材料，如釣魚桿等。國外已經(jīng)把塊狀非晶合金應(yīng)用于高爾夫球擊球拍頭和微型齒輪。非晶合金絲材可用在結(jié)構(gòu)零件中，起強(qiáng)化作用。（2）優(yōu)良的磁性：與傳統(tǒng)的金屬磁性材料相比，由于非晶合金原子排列無序，沒有晶體的各向異性，而且電阻率高，因此具有高的磁導(dǎo)率、低的損耗，是優(yōu)良的軟磁材料，代替硅鋼、坡莫合金和鐵氧體等作為變壓器鐵心、互感器、傳感器等，可以大大提高變壓器效率、縮小體積、減輕重量、降低能耗。非晶合金的磁性能實(shí)際上是迄今為止非晶合金最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。（3）簡單的制造工藝：非晶合金的制造是在煉鋼之后直接噴帶，只需一步就制造出了薄帶成品，工藝大大簡化，節(jié)約了大量寶貴的能源，同時無污染物排放，對環(huán)境保護(hù)非常有利。正是由于非晶合金制造過程節(jié)能，同時它的磁性能優(yōu)良,降低變壓器使用過程中的損耗，因此被稱為綠色材料和二十一世紀(jì)的材料。03非晶合金的應(yīng)用非晶合金是目前世界各國爭相研制的重要新型材料，從智能手機(jī)外殼到穿甲彈，從變壓器鋼片到專業(yè)高爾夫球桿，這種新型材料的應(yīng)用前景極為廣泛。目前，非晶合金運(yùn)用的主要領(lǐng)域包括，電力電子元件，例如高級音響刺頭、高頻電源用變壓器、扼流圈、磁放大器等。（1）航空航天領(lǐng)域：利用大塊非晶合金的高比強(qiáng)度，比剛度的優(yōu)異力學(xué)性能，制造航空航天器的主框架，結(jié)構(gòu)珩架，軸承，反射鏡支架等結(jié)構(gòu)材料，可大比例的減輕重量，相當(dāng)于提高了航空發(fā)動機(jī)的推力比。（2）軍事兵器領(lǐng)域：由于大塊非晶合金材料在高速載荷作用下具有非常高的動態(tài)斷裂韌性，是穿甲彈芯的首選材料之一。利用大塊非晶合金的高硬度特性還可以成為穿甲防護(hù)材料，如裝甲，防彈背心等。（3）精密機(jī)械及汽車工業(yè)：利用非晶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可以加工出高精度無缺陷的微型齒輪傳動機(jī)構(gòu)；利用其高硬度，高耐磨性能可制造汽車發(fā)動機(jī)中的液壓油缸，活塞等耐磨零部件，可大幅度提高其使用壽命。（4）化學(xué)工業(yè)：利用其抗多種介質(zhì)腐蝕的特性，可采用大塊非晶合金材料制備耐腐蝕零部件，可大幅度提高其使用壽命。（5）醫(yī)療與體育器材：大塊非晶合金的耐腐蝕性能可成為固定骨折夾板和釘?shù)氖走x材料；優(yōu)良的比剛度，比強(qiáng)度和高的硬度是高級體育競賽如單杠，雙杠和撐桿的最好材料。（6）3C行業(yè)：金屬玻璃最顯著的優(yōu)勢，就是高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性，而且既輕又薄，恰好滿足3C產(chǎn)品的核心特質(zhì)。金屬玻璃注塑、壓鑄的塑形方式，可以滿足時尚、美觀的外形訴求形狀訴求。液態(tài)金屬在工藝上接近“凈成形”，所需要的后期加工較少，可以有效降低后加工成本。金屬玻璃可通過改變表面結(jié)構(gòu)來改變顏色，后期裝飾工藝豐富，顏色更自然，同時耐磨損，不易刮擦掉色。04制備工藝一般來說，常規(guī)非晶合金的制備方法有很多，主要分為三大類，即近快速凝固法、快速凝固法和深過冷凝固技術(shù)。顧名思義，近快速凝固法和快速凝固法可以獲得很快的冷卻速率，從而形成非晶合金。而深過冷凝固技術(shù)是指提高液體的過冷度達(dá)到制備非晶的目的，但冷卻速率一般。近快速凝固技術(shù)近快速凝固法的冷卻速率一般都小于103K/s，主要有：①銅模吸鑄法；②粉末冶金技術(shù)；③熔體水淬法；④壓鑄法；⑤非晶條帶直接復(fù)合一爆炸焊接；⑥定向凝固鑄造法；⑦磁懸浮熔煉銅模冷卻法；⑧固態(tài)反應(yīng)；⑨從液相中直接制取。水淬法：水淬法是制備塊體非晶的常規(guī)方法之一，其基本原理是：將母合金置于一石英管中，熔化后連同石英管一起淬入流動水中，以實(shí)現(xiàn)快速冷卻，形成大塊非晶合金。實(shí)現(xiàn)這個過程有兩種方法：一種是將石英管置于封閉的保護(hù)氣體系統(tǒng)中進(jìn)行加熱(石英管口敞開)，同時水淬過程也是在封閉的保護(hù)氣體系統(tǒng)中進(jìn)行；另一種是將石英管直接在空氣中加熱(石英管口須封閉)，管內(nèi)須充入保護(hù)氣體，待合金熔化后再將石英管淬入流動水中。這種方法熔融金屬直接跟流動的水接觸，水的比熱比較大，可以達(dá)到較高的冷卻速率，有利于大塊非晶合金的形成，但也存在一些問題。銅模吸鑄法：銅模吸鑄法是制備非晶合金最常用、最便捷的方法之一，其基本原理就是，在惰性氣體的保護(hù)下用電弧迅速將合金加熱至液態(tài)后，利用負(fù)壓將熔融合金直接吸入循環(huán)水進(jìn)行冷卻，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)合金的快速冷卻，以此來獲得大塊非晶合金。這種方法在制備塊體金屬非晶方面具有其他方法不可超越的優(yōu)勢，該辦法就是在環(huán)境壓力與大氣壓接近的保護(hù)氣體體系中熔煉合金，所以沒有明顯的氣孔；由液態(tài)轉(zhuǎn)入冷卻模的時間較短，加上銅模具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性能和高壓水強(qiáng)烈的散熱效果，能達(dá)到較高的冷卻速率，工藝過程比較簡單，也易于操作。但是這種方法存在一定的不足，會導(dǎo)致合金熔體在銅模冷卻過程中會出現(xiàn)樣品表面收縮的現(xiàn)象，這樣成品就會存在空隙從而導(dǎo)致樣品冷卻速率下降，或者是樣品表面不夠光滑的現(xiàn)象?？焖倌碳夹g(shù)目前主要的快速凝固法都是通過液態(tài)金屬與高導(dǎo)熱系數(shù)的冷襯底之間的緊密相貼來實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳遞?？焖倌碳夹g(shù)的冷卻速率可以達(dá)到105K/s以上，制備非晶粉末、薄帶等小尺寸(至少在某一維度上)的非晶材料很方便。氣槍法(Quntechnique)：基本原理是將熔融的合金液滴，在高壓(>50atm)下射向用高導(dǎo)熱率材料(一般為純銅)制成的急冷襯底上獲得非晶。由于液態(tài)合金與襯底緊密相貼，這種方法的冷卻速度極高(>109K/s)，這樣由此得到的是合金薄膜，最薄處厚度小于0.5~1.0um。熔體旋轉(zhuǎn)法（ChillBlockMelt-spinning）：將熔融的合金液自坩堝底孔射向一個由高導(dǎo)熱系數(shù)材料制成的輥?zhàn)颖砻嫔?，我們稱為，輥?zhàn)痈咚傩D(zhuǎn)，液態(tài)合金在輥面上凝固為一條很薄的條帶(厚度約20~50um，寬度約2-5mm)。該的冷卻速率一般為105~106K/s。而輥面運(yùn)動的線速越高的時候，合金液的流量就越小，這樣得到的合金條帶就會愈薄，冷卻速度也就愈高。旋鑄法使非晶的連續(xù)生產(chǎn)成為了可能，目前已成為制取非晶合金條帶的一種常規(guī)方法。深過冷技術(shù)深過冷快速凝固技術(shù)是指在盡可能消除異質(zhì)形核的前提下，使液態(tài)金屬保持在液相線下數(shù)百度不凝固，然后瞬間形核完成液固轉(zhuǎn)變的一種技術(shù)。當(dāng)過冷度足夠大時，晶體的形核與長大過冷將受到抑制，由于凝固潛熱通過固液界面被過冷熔體吸收，其凝固過程不受外部散熱條件所控制，液態(tài)金屬將凝固為非晶體合金。玻璃包裹法（FluxMeltingTechnique）：玻璃包裹法是利用熔融氧化物作為凈化劑，通過熔融氧化物的黏性吸附作用和界面化學(xué)作用，使金屬熔體中的異質(zhì)核心轉(zhuǎn)移到熔融氧化物中，使其失去異質(zhì)形核作用，從而獲得較大的過冷度。電磁懸浮法（Electromageticlevitation）：電磁懸浮由高頻電流和懸浮線圈組成，懸浮線圈之間存在對稱的懸浮力勢阱可導(dǎo)致樣品能克服重力的束縛，但懸浮線圈又充當(dāng)加熱源，難以保證樣品始終處于一個穩(wěn)定的位置。電磁懸浮是利用強(qiáng)電磁場波來懸浮和定位導(dǎo)電材料，當(dāng)導(dǎo)電樣品置