桂電研究生材料制備課程演示文稿

桂電研究生材料制備課程演示文稿當(dāng)前1頁，總共25頁。一、非晶態(tài)合金1.結(jié)構(gòu)的主要特征：短程有序，長程無序性；非晶態(tài)是一種亞穩(wěn)態(tài)；結(jié)構(gòu)均勻、各向同性，成分均勻性；非晶體（如玻璃）沒有確定的熔點，只有一定的軟化溫度。當(dāng)前2頁，總共25頁。XRDpatternTEMdiffractionpattern當(dāng)前3頁，總共25頁。2.非晶態(tài)材料包括：（1）非晶態(tài)金屬及合金（金屬玻璃）（2）非晶態(tài)半導(dǎo)體﹑非晶態(tài)超導(dǎo)體（3）非晶態(tài)電介質(zhì)（4）非晶態(tài)離子導(dǎo)體（5）非晶態(tài)高聚合物（6）傳統(tǒng)的氧化物玻璃等。當(dāng)前4頁，總共25頁。第一類為類金屬元素（或弱金屬元素）與非金屬元素的組合。類金屬元素主要是周期表中ⅢA、ⅣA、ⅤA元素，非金屬元素主要是ⅥA和ⅦA元素，它們能形成諸如氧化物、硫化物、硒化物、氟化物和氯化物等非晶態(tài)物質(zhì)；第二類是準(zhǔn)金屬元素和金屬元素的組合。金屬元素則主要是過渡元素和貴金屬元素，例如形成Pd-Si、Co-P、Fe-C等非晶態(tài)材料。第三類是金屬元素和金屬元素的組合。前者是ⅡA、ⅡB、ⅢB、ⅣB金屬，后者是貴金屬和稀土金屬，它們形成諸如Gd-Co、Nb-Ni、Zr-Pd、Ti-Be等非晶態(tài)材料。當(dāng)前5頁，總共25頁。3.非晶態(tài)的形成過程過熱熔體(穩(wěn)定相)過冷熔體（亞穩(wěn)相）

非晶固體(亞穩(wěn)相)晶體（穩(wěn)定相）ABCDEE：結(jié)晶過程；C：非晶形成過程；D：非晶晶化過程當(dāng)前6頁，總共25頁。4.非晶態(tài)形成過程的特點：（1）從熔體中形成非晶態(tài)的過程是：ABC

即：過熱熔體過冷熔體非晶固相（2）非晶形成是亞穩(wěn)相之間相互轉(zhuǎn)變，即：穩(wěn)定過熱液相亞穩(wěn)過冷液相亞穩(wěn)固相（3）從現(xiàn)象上看，在非晶態(tài)的形成過程中，熔體由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時是連續(xù)的、粘滯系數(shù)加大的過程；（4）欲制備非晶材料，必須抑制過程E（結(jié)晶過程）、D（非晶晶化過程）的發(fā)生；（5）欲保證非晶材料穩(wěn)定性，要研究過程D（非晶晶化過程）發(fā)生的條件；（6）非晶態(tài)形成過程的本質(zhì)是亞穩(wěn)液相與亞穩(wěn)固相之間的轉(zhuǎn)變。當(dāng)前7頁，總共25頁。5.非晶態(tài)形成條件：冷卻速度：冷速足夠大(大于RC

：臨界冷卻速率)化學(xué)成分：組元間電負(fù)性與原子尺寸相差越大(10%-20%),越容易形成非晶態(tài)。因而過渡族金屬或貴金屬與類金屬(B、C、N、Si、P)、稀土金屬與過渡族金屬、后過渡族金屬與前過渡族金屬組成的合金易于形成非晶.熔點和玻璃化溫度之差T：T=Tm-Tg

，T越小，形成非晶傾向越大。因而，成分位于共晶點附近的合金易于形成非晶.當(dāng)前8頁，總共25頁。二、非晶態(tài)形成的判據(jù)1.戴維斯判據(jù)設(shè)合金的熔點為Tm,混合熔點為Tm',定義J=(Tm-Tm')/Tm為熔點的相對偏移，則戴維斯判據(jù)可敘述為：當(dāng)J>0.2時，合金可在105-107K/s下形成非晶態(tài)合金。混合熔點Tm'可表示為為過渡金屬的熔點；為類金屬的熔點；XTM為過渡金屬的摩爾分?jǐn)?shù)；XM為類金屬的摩爾分?jǐn)?shù)。當(dāng)前9頁，總共25頁。2.尼爾森判據(jù)定義合金的升華焓為過渡金屬的升華焓；為類金屬的升華焓尼爾森判據(jù)：當(dāng)0≤Xm≤0.40及Tg/Tm≥0.50時，可形成非晶態(tài)合金。當(dāng)前10頁，總共25頁。3.戴維斯判據(jù)改進(jìn)熔體淬火形成非晶態(tài)合金的判據(jù)為：當(dāng)J/W<0.032及(J-0.1)/W>0.0044時，易形成非晶態(tài)合金。W=（Tm-Tm')/cb，cb為溶質(zhì)的濃度。當(dāng)前11頁，總共25頁。1.非晶態(tài)合金的制備原理：三、非晶態(tài)合金薄膜的主要制備方法液態(tài)金屬結(jié)晶開始時間與過冷度的關(guān)系制備原理示意圖當(dāng)前12頁，總共25頁。2.非晶態(tài)合金的制備方法的分類：通過蒸發(fā)、電解、濺射等方法使金屬原子或離子凝聚或沉積而成；由熔融合金通過急冷快速固化而形成粉末、絲、條帶等；利用激光、離子注入、噴鍍、爆炸等方法使表面層結(jié)構(gòu)無序化。當(dāng)前13頁，總共25頁。3.非晶態(tài)合金薄膜的主要制備方法（1）真空蒸鍍法：

在高真空下，采用電阻、高頻感應(yīng)或電子束等方法加熱基體金屬，使得從表面蒸發(fā)的金屬原子附著在基板上而獲得薄膜。優(yōu)點：設(shè)備和工藝比較簡單、冷卻速率快、可以制備純金屬非晶態(tài)薄膜缺點：蒸鍍速率太慢，獲得的薄膜極薄（約幾個納米），膜大的致密度低。當(dāng)前14頁，總共25頁。真空蒸鍍法示意圖當(dāng)前15頁，總共25頁。（2）濺射法：利用在真空下，電離的離子撞擊陰極靶材得到具有較高動能的濺射原子，使其附著到陽極基板上而獲得薄膜。優(yōu)點：有較高的沉積速率，約1-10nm/s，可制備合金膜；缺點：基板溫度上升快。當(dāng)前16頁，總共25頁。濺射法示意圖當(dāng)前17頁，總共25頁。（3）化學(xué)氣相反應(yīng)法：利用含有析出元素的化合物蒸氣在基板上熱分解，與其他氣體在氣態(tài)下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在基板上析出反應(yīng)生成物而得到薄膜。主要制備碳化硅、氮化硅、硼化硅等非晶態(tài)薄膜。（4）電鍍法：利用電極還原電解液中金屬離子，析出金屬原子來獲得非晶態(tài)材料。用于制備Ni-F-Co-P等少數(shù)體系非晶合金，可獲得大面積的非晶薄膜。當(dāng)前18頁，總共25頁。臥式CVD裝置立式CVD裝置當(dāng)前19頁，總共25頁。四、非晶態(tài)合金粉末的制備1.氣體霧化法：用超聲氣流將金屬液吹成小滴而霧化，氣流又起到淬火冷卻劑的作用。冷卻速度決定于金屬液滴的種類和霧化氣體的種類。典型例子：Cu60Zr40粉末2.液體霧化法：采用液體作為冷卻介質(zhì)。冷卻速度較高。顆粒形狀不規(guī)則。典型例子:Fe69Si17B14、Fe74Si15B11非晶粉末。當(dāng)前20頁，總共25頁。3.氣-液霧化法：氣體將小顆粒（10-15μm)淬火。高速噴射的液體為大顆粒提供較高的冷卻速度，平均淬火冷卻速率可達(dá)105-106K/s.可以有效控制顆粒形貌。典型例子：Fe75Si15B10、Fe81.5Si14.5B4非晶粉末。當(dāng)前21頁，總共25頁。當(dāng)前22頁，總共25頁。五、非晶態(tài)合金箔、帶的制備方法（液體急冷法）1.噴射槍法：在低壓惰性氣氛保護(hù)下熔融合金，獲得合金液體；用高壓氬氣將合金液體噴射到鋼板上，獲得非晶態(tài)合金箔片。冷卻速率：109K/s.當(dāng)前23頁，總共25頁。2.活塞-砧法熔融狀態(tài)合金液滴在活塞與砧的撞擊下形成圓形箔片非晶態(tài)合金。箔片厚度尺寸均勻，通常厚度小于50