非晶和納米晶的介紹

一、非晶合金

1.1 什么是晶體

      物質就其原子排列方式來說，可以劃分為晶體和非晶體兩類。有些物質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

      對于金屬材料來說，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，原子總是從液體的混亂排列轉變成整齊的排列，即成為晶體。因為只有這樣，其結構才﹡穩定。但是，如果金屬或合金的凝固速度非常快（例如用每秒高達一百萬度的冷卻速率將鐵－硼合金熔體凝固），原子來不及整齊排列便被凍結住了，﹡終的原子排列方式類似于液體，是混亂的，這就是非晶合金。因為非晶合金原子的混亂排列情況類似于玻璃，所以又稱為金屬玻璃。

1.4 什么樣的物質能夠制造成非晶呢

      從理論上說，任何物質主要它的液體冷卻足夠快，原子來不及整齊排列就凝固，那么原子在液態時的混亂排列被迅速凍結，就可以形成非晶。但是，不同的物質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，得到的玻璃就是非晶態的。而單一的金屬則需要每秒高達一億度以上的冷卻速度才能形成非晶態。由于目前工藝水平的限制，實際生產中難以達到如此高的冷卻速度，也就是說，普通的單一的金屬難以從生產上制成非晶。

1.5 如何獲得非晶態的金屬

      為了獲得非晶態的金屬，一般將金屬與其它物質混合。當原子尺寸和性質不同的幾種物質搭配混合后，就形成了合金。這些合金具有兩個重要性質：

      A 、合金的成分一般在冶金學上的所謂 “ 共晶 ” 點附近，它們的熔點遠低于純金屬，例如 FeSiB 合金的熔點一般為 1200 度以下，而純鐵的熔點為 1538 度；

      B 、由于原子的種類多了，合金在液體時它們的原子更加難以移動，在冷卻時更加難以整齊排列，也就是說更加容易被 “ 凍結 ” 成非晶。

      有了上面的兩個重要條件，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度的冷卻速度就可以形成非晶。實際上，目前所有的實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，國內外非晶合金開發﹡多的是作為軟磁材料的一類。它們在化學成分上的一個共同點是：由兩類元素組成：一類是鐵磁性元素（鐵、鈷、鎳或者他們的組合），它們用來產生磁性；另一類是硅、硼、碳等，它們稱為類金屬，也叫做玻璃化元素，有了它們，合金的熔點比純金屬降低了很多，才容易形成非晶。

1.6 目前，非晶軟磁合金所達到的﹡好單項性能水平為：

初始磁導率μ0 = 14 × 104 鈷基非晶

﹡大磁導率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有：鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金。其國家牌號及性能特點見表及圖所示，為便于對比，也列出晶態合金硅鋼片、坡莫合金1J79 及鐵氧體的相應性能。這幾類材料各有不同的特點，在不同的方面得到應用。

牌號基本成分和特征

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 高起始磁導率快淬軟磁鈷基合金

1K206 淬態高磁導率軟磁鈷基合金

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

在上面所說的非晶合金中，原子的排列是宏觀上混亂無序的。正是由于這種特殊結構，使得非晶合金具有一些*的性質，其中優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，必須保證它們處于非晶態。下面將提到，一般的非晶合金存在著發生晶化的可能性，一旦在晶化溫度以上退火，材料內部的原子排列就變成了有序的，也就是說成為晶體，而且晶粒組織很粗大，這時非晶合金原有的磁性能就會喪失。因此，一般的非晶合金都要在非晶狀態下使用。

      但是，自從八十年代，日本的吉澤克仁等發現，含有 Cu 和 Nb 的鐵基非晶合金在晶化溫度以上退火時，會形成非常細小的晶粒組織，晶粒尺寸僅有 10 － 20 納米。這時材料磁性能不僅不惡化，反而非常優良。這種非晶合金經過特殊的晶化退火而形成的晶態材料稱為納米晶合金（以前也曾稱為超微晶合金）。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，所以被廣泛應用于高頻變壓器鐵芯，替代鐵氧體和坡莫合金等。