Fe_(78)B_(13)Si_9纳米晶合金的晶体结构(精)

1998年　6月第19卷第3期

东北大学学报(自然科学版)

Journal of Northeastern University(Natural Science)

Jun.1998

Vol.19,No.3 Fe78B13Si9纳米晶合金的晶体结构

滕功清①　晁月盛②　赖祖涵③

(东北大学理学院,沈阳　110006)

摘　要　用高密度电脉冲处理Fe78B13Si9(M etg las2605S-2)非晶合金,形成了纳米晶合金,并用X 射线衍射和透射电镜研究了纳米晶合金的晶粒结构,结果表明,两个晶体相为α-Fe(Si)固溶体和F e2B(bct)化合物,晶粒尺寸为19nm.α-F e(Si)相的晶格参数为a=0.28568nm,Fe2B的晶格参数为a=0.5145nm和c=0.4249nm.随电脉冲时间的增加,晶粒尺寸略有增加,而晶格参数则相应降低.α-F e(Si)相晶格参数的减小与晶粒的微弱生长及由此引起的α-Fe(Si)相中的Si含量增加有关.而Fe2B(bct)相晶格参数的减小是由该相在电脉冲处理过程中较为明显的生长所引起的.

关键词　电脉冲,Fe78B13Si9非晶,纳米晶化,晶体结构.

分类号　TG115.222.1

铁基非晶合金经高密度直流电脉冲处理,可在低于非晶合金的晶化温度和较短的时间内实现非晶合金的纳米晶化[1～3],且所制备的纳米晶合金在结构形貌、剩余非晶相、晶化机制及晶化动力学[4～8]等方面不同于通常的等温退火晶化方法.然而,对于电脉冲处理过程中纳米晶的晶粒生长及其结构变化还不是很清楚.本文用X射线衍射和透射电镜对由电脉冲方法制备的Fe78B13Si9纳米晶合金的晶格参数、晶粒尺寸及其随电脉冲处理时间的变化进行了系统的测量与研究,讨论了Fe78B13Si9纳米晶合金中的晶体结构的变化,这对于了解非晶合金在脉冲电流作用下的晶化过程和纳米晶合金的结构是有益的.

1　实验方法

本实验所用试样是Fe78B13Si9(Metg las 2605S-2)非晶条带.试样尺寸为95mm×6m m×20μm,电脉冲处理及温度测量见文献[9].本文中试样的电脉冲处理条件见表1.其中,J是最大电流密度;f和τp分别为脉冲频率和脉冲宽度;t p 和t eff(=fτp t p)分别为电脉冲处理时间和有效通电时间;T则表示电脉冲期间试样温度的平均值及其最大起伏.

X射线衍射(XRD)测量在D/MAX-RB型衍射仪上进行,加速电压为40kV(CuKα),采用40MA步进扫描,Si粉作外标,峰顶法定峰位,由最小二乘法拟合计算晶格参数.纳米晶合金的晶粒尺寸用Scherrer方程由X射线衍射峰的展宽计算确定,用透射电子显微镜(TEM)和选区衍射(SAD)花样检测和观察晶化状态和形貌,并对晶粒尺寸进行符合检验.透射电子显微镜为JEM-100CX,加速电压为100kV,电镜试样先经双喷减薄(-10℃)后,再由小角离子束减薄而成.

表1　电脉冲处理条件

试样

J

(A·mm-2)

f

Hz

τp

μs

t p

s

t eff

ms

T

K 1170018406043.2673±20 21700184012086.4673±20 317001840240172.8673±20 417001840480345.6673±20 517001840900648.0673±20 6170018401200864.0673±20

2　实验结果与讨论

XRD测量表明,表1中的各试样在给定的电脉冲处理条件下,均发生了纳米晶化,两个晶化相为α-Fe(Si)(bcc)和Fe2B(bct),典型的X射线衍射花样(试样5)示于图1,表2给出了由XRD方法精确测定的两个晶化相的晶格参数,α-Fe(Si)相的晶格参数为a=0.28568nm,Fe2B相的晶格参数a=0.5145nm和c=0.4249nm(表2括号

1997-06-02收到. ①男,40,博士研究生,副教授;②男,52,教授;③男,77,教授,博士生导师.国家自然科学基金(编号:59371066)和东北大学中青年科学基金资助项目(编号:86087).

中的数字为测量误差),随着电脉冲处理时间的增加,两晶化相晶格参数均显示了一致减小的趋势

.

图1　电脉冲处理后F e 78B 13Si 9试样的XRD 花样(试样5,t =900s )★—α-Fe (Si );○—Fe 2B .

影响晶格参数的因素比较复杂,但通常有两种因素应该考虑.第一,对于α-Fe (Si )相,由于Si 原子占据α-Fe 相的晶格位置,Si 固溶度的增加将导致晶格参数的降低[10];第二,根据热力学分析[11]

,对于纳米晶而言,由于晶粒表面能的存在使得晶粒的体自由能升高.上升的幅值为ΔG v =

αγ/D ,其中α为常数,γ为晶粒的表面能,D 为晶粒尺寸.ΔG v 的存在将导致晶粒内杂质(或溶质原子)固溶度的提高和空位浓度的提高,这一效

应随着晶粒尺寸的增加而减小,在通常的粗晶材料中完全消失.实验中,晶化过程是在电脉冲处理期间的相对低温的条件下进行的,溶质原子难以进行充分的长程扩散,因而,纳米晶粒表面能的存在所造成的晶粒体自由能的升高将主要表现为晶格内空位浓度的提高而使晶格膨胀.所以,在晶体相化学成分相同或相近并且其它情况相同的条件下,晶格参数的减小意味着平均晶粒尺寸的增加.

表2还给出了由Scherrer 方法确定的各电脉冲处理试样的平均晶粒尺寸(由α-Fe (Si )相XRD (310)峰展宽确定,未计及Fe 2B 的影响).此外,还利用TEM 对晶粒尺寸进行了符合检测,并观察了晶化相的形貌.由电镜观察得到的平均晶粒尺寸与由Scherrer 方法得到的结果基本一致,图2是两组电脉冲处理试样(试样1和试样5)的TEM 形貌照片和相应的SAD 花样(试样1).从图2可见,晶粒尺寸分布均匀,没有任何枝晶出现的迹象,剩余非晶仅作为界面相存在于试样之中.

表2　晶格参数和平均晶粒尺寸

试　样 α-Fe (Si )

a /nm

t -Fe 2B

a /nm c /nm D /nm 1

0.28568(±0.00003)0.5145(±0.0001)

0.4249(±0.0001)

19

20.28563(±0.00003)0.5146(±0.0001)0.4241(±0.0001)2130.28560(±0.00003)0.5135(±0.0001)0.4247(±0.0001)2240.28562(±0.00003)0.5131(±0.0001)0.4230(±0.0001)2250.28559(±0.00003)0.5125(±0.0001)0.4230(±0.0001)236

0.28556(±0.00003)

0.5114(±0.0001)

0.4226(±0.0001)

22

图2　电脉冲处理后Fe 78B 13Si 9试样的TEM 形貌照片和SAD 花样(a )—试样1,t p =60s ;(b )—与(a )对应的SA D 花样;(c )—试样5,t p =900s .

值得注意的是,Fe 78B 13Si 9非晶合金在试样平均温升为673K 和处理时间仅为60s 的条件下即

发生了纳米晶化(有效通电时间则更短,仅为

43.2ms ,见表1).而且随电脉冲作用时间的增加,平均晶粒尺寸没有明显地增加,晶粒生长十分

缓慢.但α-Fe (Si )在相对贫铁的剩余界面相中的

248东北大学学报(自然科学版) 第19卷

微弱生长将会造成该相中Si 固溶度的增加(这一结果已为穆斯堡尔谱研究所证实,有关结果将另文报道).因此α-Fe (Si )相的晶格参数随电脉冲处理时间增加而减小.

另外,从表2中看到Fe 2B (bct )相的晶格参数随电脉冲处理时间的增加表现出较为明显的减小:a 从0.5145nm 变为0.5114nm ;c 从0.4249nm 变为0.4226nm .这种变化相对于α-Fe (Si )相要大一些.从差热分析结果可知[12],Fe 78B 13Si 9非晶合金的晶化过程存在两个放热峰,第一峰对应α-Fe (Si )固溶体(可能含有少量的Fe -B 化合物,如Fe 2B 和Fe 3B 等)的析出;第二峰则对应Fe -B 化合物的析出.最近,有人[13]在(Fe 0.99Mo 0.01)78B 13Si 9非晶合金等温退火晶化的高分辨电镜观察中得到,大多数Fe 2B 成核于α-Fe (Si ,Mo )与剩余非晶相的交界面处.即晶化分两个阶段进行,第一过程主要析出α-Fe (Si )(不排除可能有少量的Fe 2B ),第二过程主要析出Fe 2B 化合物,那么,按照纳米粒子晶格膨胀的观点,随着电脉冲作用时间的增加,Fe 2B (bct )相的晶格参数相对明显的降低意味着该相在此过程中有较为明显的生长.

从以上对电脉冲处理所引起的Fe 78B 13Si 9非晶合金晶化情况的了解可以看出,对于所使用的电脉冲参数,当电脉冲处理时间仅仅为60s 时,试样即已经接近于充分晶化,再增加电脉冲处理时间主要表现为Fe 2B 相的相对增加,而α-Fe (Si )相的生长则比较缓慢.由此看来,缩短电脉冲处理时间对于电脉冲作用下的Fe 78B 13Si 9非晶合金的纳米晶化将是有益的.

3　结 论

(1)用高密度直流电脉冲处理Fe 78B 13Si 9非晶合金,在温升为673K ,处理时间为60s 的条件下,试样转变为纳米晶合金,两个晶化相是α-Fe

(Si )(bcc )固溶体和Fe 2B (bct )化合物,平均晶粒尺寸小于20mm .此时,α-Fe (Si )相的晶格参数确定为a =0.28568nm ,Fe 2B 相的晶格参数为a =0.5145nm 和c =0.4249nm .合金接近于充分晶化.

(2)随电脉冲处理时间的增加(60～1200

s ),α-Fe (Si )相晶格参数降低约0.00010nm ,可归因于电脉冲处理过程中α-Fe (Si )相的比较缓慢的生长及由此引起的Si 含量的相对增加;Fe 2B 相的晶格参数分别降低约0.0030nm 和0.0020nm ,降低幅度比α-Fe (Si )相明显,这可能与Fe 2B 相的生长有关.参考文献

1滕功清,晁月盛,赖祖涵,等.Fe 78B 13Si 9非晶合金纳米晶化的新方法.科学通报,1994,39(11):974～976

2

滕功清,赖祖涵,晁月盛,等.用高密度脉冲电流使Fe 73.5Cu 1Nb 3Si 13.5B 9非晶合金快速纳米晶化的研究.见:张传厉,胡壮麒,章靖国,等编.94秋季中国材料研讨会论文集:第

Ⅱ卷.北京:化学工业出版社,1994.112～1153

Teng G

Q ,Chao

Y

S ,Lai

Z H ,

et

a l .Rapid

nanocrystallization from amorphous Fe 78B 13S i 9by high current dens ity electropulsing .J M ater Sci Lett ,1995,14:144～1454Teng G Q ,Chao Y S ,Lai Z H ,et al .M icrostructural study of the low -temperature nanocrystalliztion of amorphous Fe 78B 13Si 9.Phys Stat Sol (a ),1996,156:265～2765

滕功清,晁月盛,赖祖涵,等.Fe 78B 13Si 9非晶合金纳米晶化的亚结构.东北大学学报(自然科学版),1996,17(5):529～533

6晁月盛,孙少权,滕功清,等.高密度脉冲电流对非晶Fe -Ni -Si -B 合金结构弛豫与晶化的促进效应.物理学报,1996,45(9):1506～15127

Teng G Q ,Chao Y S ,Dong L ,et al .Features of nanocrystallization of metallic glass Fe 78B 13S i 9induced by high -cu rrent -density electropuls ing .Jpn J Appl Phys ,1996,35(10):28～338

晁月盛,滕功清,谢春晖,等.高密度脉冲电流对Fe -Si -B 非晶合金晶化过程的影响.金属学报,1996,32(11):1204～1208

9Lai Z H ,Chao Y S ,Conrad H ,et al .Hyperfine structu re changes in iron -base amorphous alloys p roduced by high cu rrent density electropulsing .J M ater Res ,1995,14:900～90610

Elsokov E P .Barinov V A ,Konygin G N .Influence of the order -disorder transition on the structural and magnetic properties of bcc iron -sil icon alloys .Soviet Phys -Phys M et M etall ,1986,62:85～8911刘学东,卢柯,丁炳哲.α-Fe (Si )纳米相的晶格畸变,学科通报,1994,39(3):217～21812刘学东,丁炳哲,王景唐,等.C u 对Fe 基非晶合金内禀磁性及晶化行为的影响.材料科学进展,1993,7(4):333～33713

Ping D H ,Li D X ,Ye H Q ,et al .High resolution electron microscopy studies of the microstructure in nanocrystal line (Fe 0.99M o 0.01)78Si 13B 9alloys .M ater Sci Eng ,1995,A194:211～217

Investigation into Crystallite Structure of Nanocrystalline Fe 78B 13Si 9

Teng Gongqing ,Chao Y uesheng ,L ai Z uhan

ABSTRAC T T he amorphous Fe 78B 13Si 9(M etglas 2605S -2)was transformed into nanocrystalline alloy by high crurrent density electropulsing .T he g rain structure was studied using XRD and T EM methods .The results show that two cry stalline phases are α-Fe (Si )solid solution and Fe 2B compound ,with the average grain size of 19nm ,and that lattice parameters of α-F e (Si )phase

249

第3期 滕功清等:Fe 78B 13Si 9纳米晶合金的晶体结构

are a=0.28568nm and those of Fe2B are a=0.5145nm and c=0.4249nm.With increasing the electro pulsing time,the average g rain size increases slig htly and lattice parameters decrease.The analysis of the chang e of lattice parameters reveals that the decrease of the lattice parameter inα-F e(Si)phase has a connection with the weak g ro wth ofα-Fe(Si)grains and the induced increase of Si concentration inα-F e(Si)phase,and that the decrease of the lattice parameters in Fe2B phase is caused by the remarkable g row th of Fe2B g rains during electropulsing.

KEY W ORDS　electropulsing,amorphous Fe78B13Si9,nano cry stallization,cry stallite structure.

(Received June2,1997)

待发表文章摘要预报

车铣切屑仿真的研究姜增辉　贾春德　王德俊

阐述了车铣切屑形状的计算机仿真的原理,由此分析了不同工艺参数对车铣切屑形状的影响,并预测了不同工艺参数对车铣切屑过程的影响.

气动自激振动系统数值解及分析

戚靖洋　张国忠

给出了气动自激振动系统的模型和运动方程,通过数值求解的方法研究了系统在不同参数下的振动情况,揭示了系统参数对系统振动特性的影响,为气动自激振动机械的参数设计提出了依据.

环城高速公路双方向交通模型与自校正控制

黄小原

以辽宁省高速公路问题为实际背景,建立了环城高速公路入口匝道处双方向放行交通模型;针对环城公路双方向控制问题,提出了任意维输入及其设定的自校正控制算法,并进行了预案仿真.

Si3N4陶瓷粉末在冷压致密化特性

孙雪坤　杨　红　金琪泰

分析了Si3N4陶瓷粉末在冷等静压(CIP)和模压下的材料致密化特性,讨论了常用的Shima模型的计算结果,通过对比表明:Shima模型材料性能数据的选取颇有争议,而岩石力学中的Cam-Clay模型的计算结果却与实验数据相当吻合.

具有激励特征的科技人才需求预测方法

边　旭　郭亚军

针对经济体制转换时期的特殊情况,提出了具有激励特征和动态特征的科技人才需求预测方法,并对L省S市2000～2010年科技人才需求量及具有预期学历结构约束的人才补充量进行了预测.

250东北大学学报(自然科学版) 第19卷

非晶合金、纳米晶薄带项目

非晶合金、纳米晶薄带项目可行性研究报告

第一章项目概况 第一节基本情况 一、项目名称：非晶合金、纳米晶薄带生产 二、承办单位：****有限公司 三、企业性质：有限责任公司 四、企业法人：***** 五、项目建设地点：******* 第二节项目产品描述 非晶合金薄带是70年代问世的一种新型软磁材料，它采用先进的速凝固技术，把熔化的钢液以1×106℃/S的冷却速度直接冷却成厚度仅为20um—40um的金属薄带，与传统金属带材生产工艺相比，节省了五～六道工序。生产过程节能，无污染排放。由于采取了超急冷却技术，带材中原子排列组合上具有短程有序,长程无序特点的非晶合金组织。该合金具有许多独特性能特点：如优异的磁性，耐蚀性，耐磨性，高硬度，高电阻率等，被人们称为二十一世纪最新的绿色环保软磁材料。 该材料的应用范围广阔，可替代传统的硅钢，铁氧体和坡莫合金等软磁材料，用该材料作为铁芯主要用材并制造的非晶合金配电变压器，与用硅钢片作为铁芯的配电变压器比对，具有很好的节能效果。其比对效果见下表：

由上表可见，平均空载损耗降低70％～80％，其节能效果显著. 第三节项目背景 目前，全球只有日立金属大规模生产非晶合金带材。日立金属的非晶合金带材的产能，于07年扩张至5.2万吨后，理论上，也只能生产出3058万kV A非晶合金变压器，以上产量与我国目前每年约2.4亿kV A配电变压器的需求量相距甚远。而我国的非晶合金带材主要依赖于进口，因此，非晶合金带材的供给，成为我国大规模推广应用非晶合金变压器的最大障碍。 我国非晶合金变压器的研制工作始于“七五”，掌握非晶合金变压器生产技术的企业较多。国家80年代科技攻关课题中，将“非晶合金铁芯配电变压器研制”作为重点课题。1986年5月，上海钢铁研究所与宁波变压器厂合作，用该所研制的非晶合金带材试制出国内第一台单相3kV A非晶合金变压器。目前，除上海置信电气以外，我国其它知名变压器生产企业，如顺特电气、江苏华鹏、特变电工、杭州钱江电器集团、天威保变、西变等厂家均掌握了非晶合金变压器的生产技术。但是，由于非晶合金带材的供应依赖于进口，加之受到带材出口国的制约和价格上涨的因素影响，实际上以上厂家的非晶合金变压器均未大规模生产。铁芯及变压器的生产技术并不是制约我国推广非晶合金变压器的关键性因素，如原材料供应问题得到缓和，变压器生产厂家要扩大非晶合金变压器产能易如反掌，只有非晶合金带材生产的国产化才能促成非晶合金变压器规模化生产的飞跃。目前，日立金属

非晶和纳米晶合金的比较

铁基非晶合金在工频和中频领域，正在和硅钢竞争。铁基非晶合金和硅钢相比，有以下优缺点。 1）铁基非晶合金的饱和磁通密度Bs比硅钢低 但是，在同样的Bm下，铁基非晶合金的损耗比0.23mm厚的3％硅钢小。一般人认为损耗小的原因是铁基非晶合金带材厚度薄，电阻率高。这只是一个方面，更主要的原因是铁基非晶合金是非晶态，原子排列是随机的，不存在原子定向排列产生的磁晶各向异性，也不存在产生局部变形和成分偏移的晶粒边界。因此，妨碍畴壁运动和磁矩转动的能量壁垒非常小，具有前所未有的软磁性，所以磁导率高，矫顽力小，损耗低。 2）铁基非晶合金磁芯填充系数为0.84～0.86 3）铁基非晶合金磁芯的工作磁通密度 1.35T～1.40T，硅钢为1.6T～1.7T。铁基非晶合金工频变压器的重量是硅钢工频变压器的重量的130％左右。但是，即使重量重，对同样容量的工频变压器，磁芯采用铁基非晶合金的损耗，比采用硅钢的要低70％～80％。 4）考虑损耗，总的评估价为89％ 假定工频变压器的负载损耗（铜损）都一样，负载率也都是50％。那么，要使硅钢工频变压器的铁损和铁基非晶合金工频变压器的一样，则硅钢变压器的重量是铁基非晶合金变压器的1?8倍。因此，国内一般人所认同的抛开变压器的损耗水平，笼统地谈论铁基非晶合金工频变压器的重量、成本和价格，是硅钢工频变压器的130％～150％，并不符合市场要求的性能价格比原则。国外提 出两种比较的方法，一种是在同样损耗的条件下，求出两种工频变压器所用的铜铁材料重量和价格，进行比较。另一种方法是对铁基非晶合金工频变压器的损耗降低瓦数，折合成货币进行补偿。每瓦空载损耗折合成5～11美元，相当于人民币42～92元。每瓦负载损耗折合成0.7～1.0美元，相当于人民币6～8.3元。例如一个50Hz，5kVA单相变压器用硅钢磁芯，报价为1700元/台；空载损耗28W，按60元人民币/W计，为1680元；负载损耗110W，按8元人民币/W计，为880元；则，总的评估价为4260元/台。用铁基非晶合金磁芯，报价为2500元/台；空载损耗6W，折合成人民币360元；负载损耗110W，折合成人民币880元，总的评估价为3740元/台。如果不考虑损耗，单计算报价，5kVA铁基非晶合金工 频变压器为硅钢工频变压器的147％。如果考虑损耗，总的评估价为89％。 5）铁基非晶合金抗电源波形畸变能力比硅钢强 现在测试工频电源变压器磁芯材料损耗，是在畸变小于2％的正弦波电压下进行的。而实际的工频电网畸变为5％。在这种情况下，铁基非晶合金损耗增加到106％，硅钢损耗增加到123％。如果在高次谐波大，畸变为75％的条件下（例如工频整流变压器），铁基非晶合金损耗增加到160％，硅钢损耗增加到300％以上。说明铁基非晶合金抗电源波形畸变能力比硅钢强。 6）铁基非晶合金的磁致伸缩系数大 是硅钢的3～5倍。因此，铁基非晶合金工频变压器的噪声为硅钢工频变压器噪声的120％，要大3～5dB。

块体非晶合金材料的性能、应用及展望

块体非晶合金材料的性能、应用以及展望引言：非晶态合金又称为金属玻璃，具有长程无序、短程有序的亚稳态结构特征。固态 时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内这种状态保持相对稳定。与传统的晶态合金相比，非晶合金具备很多优异的性能，如高强度、高硬度、耐磨和耐腐蚀等，因而引起人们极大的兴趣。 一、非晶合金的发展历程 自1960 年加州理工学院的P.Duwez 小组采用液态喷雾淬冷法以106K/s 的冷却速率从液态急冷获得Au-Si 非晶合金以来，人们主要通过提高冷却速度的方法来获得非晶态结构。由于受到高的临界冷却速率的限制，只能获得低维的非晶材料（非晶粉、丝、薄带等），这在很大程度上限制了非晶的应用，特别是阻碍了对其力学、物理等性能的研究。 20 世纪80 年代末90 年代初，日本东北大学（Tohoku University）的T.Masumoto 和A.Inoue 等人发现了具有极低临界冷却速率的多元合金系列，如Mg-TM-Ln，Ln-AI-TM，Zr-AI-TM，Hf-AITM ，Ti-Zr-TM（Ln 为铡系元素，TM 为过渡族元素）。1993 年W.L.Johnson 等人发现了具有临界冷却速率低达1K/s 的Zr 基大块非晶合金。经过二十多年的发展，非晶从只有几个微米到现在的厘米级别，现在已经有6 个体系（锆基: Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5， Zr55Al10Ni5Cu30；铂基：Pd40Cu30Ni10P20；钇基：Y36Sc20Al24Co20；钯基：Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5；镁基：Mg54Cu26.5Ag8.5Gd11）临界尺度达到了20mm。 对非晶态的大量研究表明，非晶合金中不存在晶界、位错、层错等晶体缺陷，非晶合金具有传统的晶态金属所不具有的诸多优良性能，如良好的机械、物理、化学性能以及磁性能。鉴于大块非晶合金优良的力学、化学及物理性能以及在电子、机械、化工、国防等方面具有广泛的应用前景，大块非晶合金的研制就具有重要的技术和经济价值，是一个具有广阔发展前景的研究领域。 二、块体非晶合金的形成机理 1、合金的形成特点 合金熔体形成非晶态合金的过程与凝固结晶过程有较大的不同。非晶态合金在凝固时，随着冷速的增大和温度的降低，熔体连续地和整体地凝固成非晶合金。而晶态合金在凝固时，晶体的形成经历了形核和长大两个阶段，并且通过固液界面的运动从局部到整体逐步凝固结晶。 2、形成条件 按照传统的凝固理论，熔融的金属与合金在冷却过程中如果抑制了非均匀形核并跨越结晶区而被“冻结”，即可获得非晶态。要使金属或合金获得玻璃态组织，首先应使其熔体具有有利于形成玻璃态的合理结构，使原子在随后的冷却过程中重新排列较为困难。这种结构与合金的种类、组元原子半径差及原子间结合的本性有关，取决于非晶形成过程中的热力学和动力学。其次，应有适当高的冷却速率，减少或消除异质形核。以上分别为非晶形成的内部和外部条件，下面分别从结构条件、热力学条件以及动力学条件等方面详细论述。 2.1 结构条件 结构条件是影响非晶合金形成的主要因素。组元原子的半径差别越大，原子在无序密集排列时的密度越大，越有利于组成密集随机堆垛结构，位形改变就越困难，则越容易形成非晶。

纳米材料与技术思考题2016

纳米材料导论复习题(2016) 一、填空： 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术 4.当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在 个方向的能量已量子化一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的，又称为 6.1997年以前关于Au、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等 9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为： 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成：、和 12.随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向方向移动，即 13.光致发光指在照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程仅在激发过程中发射的光为在激发停止后还继续发射一定时间的光为 14.根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：、和 15.STM成像的两种模式是和. 二、简答题：（每题5分，总共45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些？ 2、纳米材料的分类？ 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 4、简述PVD制粉原理 5、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点？ 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象

7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？ 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明 1. 纳米科学技术 (Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料，即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料，大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类；纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系 3、什么是纳米科技？ 答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工 4、什么是纳米技术的科学意义？ 答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望 5、纳米材料有哪4种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维：纳米块体 6、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应 答：小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应 量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料

铁基非晶及纳米晶合金纤维的研制

*电子科技大学青年科技基金重点项目 铁基非晶及纳米晶合金纤维的研制 * 李　强,梁迪飞,鄢　波,邓龙江 (电子科技大学微电子与固体电子学院,成都610054) 摘要 通过自主开发的熔融快淬炉制备出了铁基非晶合金纤维,研究了制备工艺参数对纤维几何尺寸、微观形貌的影响,结果表明:转轮线速度、线圈功率(熔体温度)及气氛等对其微观形貌和几何尺寸的影响较大,通过调整优化 工艺参数可稳定地制备直径为10～40μm 可调的非晶磁性纤维。通过适当热处理可得到双相纳米晶磁性合金纤维。 关键词 铁基非晶合金　非晶合金纤维　熔融快淬 The Fabrication of Fe -base Amorphous and Nanocrystalline Alloy Microwires LI Qiang ,LIANG Difei ,YAN Bo ,DENG Long jiang (Scho ol of M ic roelect ronic and Solid -state Electro nics ,U ES T C ,Chengdu 610054) A bstract T he microw ires o f Fe -base amo rphous alloy hav e been fabrica ted with the equipment deve loped by us.T he rela tionships between the fabrica tion pr ocess and micr owire dimensions ,mor pho log y have also been inv estiga -ted.A s a re sult ,the main facto r s im pact the micro wire dimensions ,mor pho log y are the w heel velocity ,pow er of the lo op (temperature o f the melting )and ambience.T he diameter s o f the micro wires could be within 10～40μm.By sub -sequent annealing ,nanocry stralline micr owire s can be obtained. Key words F e -ba se amo rpho us alloy ,amo rphous a llo y microw ir es ,melt quench 　 0　前言 自1988年Yoshizawa 等[1,2]首次报道具有优异软磁性能的 Finemet 型F e 基合金以来,对非晶及纳米晶合金材料的研究和应用越来越广,但多为对粉体和薄带的研究,而对于非晶及纳米晶合金纤维的制备和特性的研究,特别是国内在这方面的研究则相对更少。 近几年国内外所研究的非晶合金纤维一般多采用玻璃包覆熔纺法制备[3],它是根据液态玻璃粘度高易于制成纤维的原理,把金属棒插入玻璃管中作原料,在其下端设置一个高频感应线圈,原料通过感应线圈被逐渐加热熔化,熔化了的玻璃包覆着液态金属经急速冷却后制得圆而长的细丝。金属纤维的直径为1～100μm ,表面约有500～2000nm 厚的微细多晶层。由于玻璃的导热性较差,所以不管用何种冷却介质都会影响熔融合金的冷却速度,故此法只适用于临界冷却速率较低的非晶合金纤维的制备。 另外一种方法是熔融快淬法[4,5],其基本原理是:熔融态合金液面接触到高速旋转的尖锐的高导热轮缘,快速固化形成完全非晶的合金纤维,通过剥离装置使之脱离轮缘。由于此法大大提高了冷却速率,所以可快淬具有较高熔点的材料,如铁基材料等,而且所制备的非晶纤维具有很好的表面光洁度和粗细均匀度。本文即采用此方法制备非晶纤维样品。 1　实验 1.1　试验方法及样品制备 使用的试验设备如图1所示。在可密闭的箱体中,利用高频感应线圈将耐热石英玻璃管中成分为F eCuN bSiB 的合金块材熔化。熔化后的合金由于表面张力的原因而呈馒头状凸起,利用进料装置使石英管内熔融合金液体在石英棒塞的挤压下平稳缓慢上升,使其液面与高速旋转的通有冷却水的铜轮的辊面接触,接触后液态金属即被快淬甩出。设置适当的进料速度、高频感应线圈功率(即熔融合金的温度)及铜轮线速度即可制备出粗细均匀、直径可控制在10～40μm 范围内的铁基非晶合金磁性纤维。 图1　试验设备简图 由于冷却的铜轮侧周为呈一定角度的尖锐轮缘(如图2所示),熔融合金因其表面附着力而立即被旋转的铜轮辊面尖角抽出,经铜轮以105～106℃/s 快淬后即呈纤维状,并在离心力和

材料热力学

2012 年春季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目:材料热力学 学生所在院（系）:理学院应用化学系 学生所在学科: 学生姓名 学号: 学生类别: 考核结果阅卷人 第 1 页（共 5 页）

材料热力学在材料研究方面的应用 摘要：材料热力学对于材料的预测和使用具有理论指导作用，本文总结了近年来材料热力学在功能材料设计分析方面的应用，并对材料热力学这门学科在材料方面的应用进行了总结。 关键词：材料热力学；材料；应用 1.材料热力学概述 材料热力学就是把热力学原理和材料联系起来，用热力学的理论解决材料在设计、制造、应用时的相应问题。材料热力学课程以热力学定律为基础，着重介绍了统计热力学在材料中的应用，如溶液的统计热力学、相图热力学、相变热力学和化学平衡热力学等。 2.计算材料科学与热力学 随着科学技术的不断进步，已有的材料越来越不能满足当前甚至可预见的未来的科技发展对于生产、生活中各种器械材料的需要，已有的材料不断被淘汰，人们对材料提出越来越多的要求和希望。材料逐渐向功能的多样化和性能的优异化发展。大量的材料量和质的需求使人们不得不摈弃传统材料开发的逐一试探的方法。带预测性的材料设计理念就这样应运而生了。随着现当代材料分析与检测仪器精度和灵敏性的提高，人们可以积累大量的材料性能的数据，这为发展新的材料模型或新材料的预测和模拟研究提供了有利条件。由此产生了以材料热力学理论为基础，计算机技术辅助支撑的计算材料科学。 耿太在他的硕士论文[1]中提到，计算材料科学发展中最活跃的是包含相图热力学和相变动力学计算在内的CALPHAD领域。在此领域中，热力学模拟优化的过程和实验技术紧密结合，并与材料的成分、足迹和制备过程联系密切。而目前，材料设计领域的新课题就是连接不同层次材料的成分设计、微观结构、制备工艺来达到从微观结构到宏观性能的整体预测和设计。在这篇文章中，应用了热力学计算软件，计算了平衡态相图对耐腐蚀合金的耐腐蚀性能，计算了铁铝、铁硼合金的平衡态相图，并与标准的二元相图做了比较分析。他认为这种计算分析对于合金成分设计制备具有指导意义。 3.材料热力学用于金属材料 实际生产生活中应用最广泛的材料是金属材料。而金属材料中用到最多的又是金属基的复合材料。通过复合化设计后金属材料可以形成金属基的复合材料。金属基的复合材料具有更好的机械性能和功能性能，是当前高新技术、环境、能源、通信、汽车、国防及航空航天设备中不可替代的重要材料，并在国民经济和国防建设中有着不可替代的重要作用。 范同祥等人认为，金属熔体的热力学性质历来是材料科学、冶金化学和流体物理学等领域的工作者关注的冶金热力学的核心课题之一[2]。他们认为，热力学和动力学在研究复合材料界面反应控制、反应自生增强相种类选择、反应自生增强相尺寸控制、金属基复合材料体系设计及复合制备工艺优化等方面有很大的应用价值。并且，基于组元元素的悟性参数能为金属基复合材料的研究提供理论指导。但是，金属熔体的结构比较复杂，其热力学和动力学性质带有复杂性，且不同的体系有其特殊性，在这种情况下的热力学和动力学的模型应用就有其局限性和针对性，这样的模型需要发展和完善。另外，可以把热力学和动力学与第一性原理相结合，从原子尺度进行计算，这样就能在复合材料的研究中扩大热力学和动力学的应

非晶纳米晶软磁材料

非晶/纳米晶软磁材料 一．应用领域 非晶态软磁合金材料为20世纪70年代问世的一种新型材料，因具有铁芯损 耗小、电阻率高、频率特性好、磁感应强度高、抗腐蚀性强等优点，引起了人们 的极大重视，被誉为21世纪新型绿色节能材料。其技术特点为：采用超急冷凝 固技术使合金钢液到薄带材料一次成型；采用纳米技术，制成介于巨观和微观之 间的纳米态(10-20nm)软磁物质。非晶、纳米晶合金的优异软磁特性都来自于其 特殊的组织结构，非晶合金中没有晶粒和晶界，易于磁化；纳米晶合金的晶粒尺 寸小于磁交换作用长度，导致平均磁晶各向异性很小，并且通过调整成分，可以 使其磁致伸缩趋近于零。【表1】列出了非晶/纳米晶软磁材料的典型性能及主要 应用领域。 材料铁基非晶铁镍基非晶钴基非晶铁基纳米晶饱和磁感(T) 1.56 0.77 0.6-0.8 1.25 矫顽力(A/m) <4 <2 <2 <2 Br/Bs -- -- >0.96 0.94 最大磁导率45×104>200,000 >200,000 >200,000 铁损(W/kg) P50Hz,1.3T <0.2 P20KHz,0.5T<90 P20KHz,0.5T<30 P20KHz,0.5T<30 磁致伸缩系数27×10-615×10-6<1×10-6<2×10-6居礼温度(℃) 415 360 >300 560 电阻率(mW-cm) 130 130 130 80 应用领域 配电变压器 中频变压器 功率因子校正器 磁屏蔽 防盗标签 磁放大器 高频变压器 扼流圈 脉冲变压器 饱和电抗器 磁放大器 高频变压器 扼流圈 脉冲变压器 饱和电抗器 互感器

成分对于铁基非晶纳米晶合金微观结构和 软磁性能的影响综述--研究生课程论文

研究生课程论文 （2016 -2017 学年第一学期） 论文标题：成分对于铁基非晶纳米晶合金微观结构和软磁性能的影响综述 提交日期：2016 年12 月19日研究生签名：

成分对于铁基非晶纳米晶合金微观结构和软磁性能 的影响综述 1.引言 铁基非晶态合金是一种具有特殊结构和优越性能的新型材料,通过快速凝固在原子层次控制了液态金属的排列,使原子排列保持液态金属的长程无序状态.由于原子排列不规则、长程无序、没有晶粒晶界的存在,因而使得该类材料具有极佳的机械性能、磁性能和耐腐蚀性等优点,通过非晶合金演变纳米晶的可控性,可以进一步得到性能更加优异的纳米晶和非晶/纳米晶复合结构材料,兼具有高饱和磁感应强度、高磁导率和低高频损耗等性能特点[1]，是硅钢、铁氧体和坡莫合金等传统软磁材料的替代产品。 要形成非晶合金GFA (玻璃形成能力) 非常重要，井上明久在大量实验结果的基础上总结了非晶合金获得较高GFA需要的３个条件:(1)合金成分含有３种及３种以上元素;(2)不同元素原子半径有较大差异;(3)各元素之间的混合热为负值[2]. Fe基非晶纳米晶合金优异的磁特性由它们的磁致伸缩系数（<20ppm）和磁各向同性都很低。根据随机各向异性模型（RAM）[3]，如果晶粒尺寸减小到低于最小交换长度（D <

和纳米尺度区域。在微观尺度区域，粒度和H c之间的反比关系（Hc-D-1）表示传统的原则，即大晶粒尺寸利于软磁性能的提高，但是大的晶粒和磁畴尺寸会增加铁损。在纳米尺度区域，新的非晶微晶合金落在常规的硅钢和铁基非晶合金之间。矫顽力和晶粒尺寸（Hc-D 6）关系显示，在纳米级别，晶粒尺寸的变化，即使是少量仍可能对最终的软磁特性产生显著影响[3,20]。 目前研究的Fe 基纳米晶软磁合金带材主要有Fe-Si-B 系、Fe-Zr-B 系和Fe-B 系。具体讲主要有三种牌号，分别是牌号为Finemet 的Fe-M-Si-Cu-B(M=Nb、Cr、V、W、Mo 等)合金，牌号为Nanoperm的Fe-M-B(M=Zr、Hf、Nb、Ta等)合金[5-6]和牌号为Hitperm的(Fe,Co)-M-B(M=Zr、Hf、Nb 等)合金[4-5]。三种牌号的合金都是采用对非晶合金前驱体进行晶化处理得到纳米晶合金的方法制备而成[1]。通过晶化退火处理不但可以有效地消除合金的内应力，还可以获得纳米晶结构的合金材料，因其具有超细化的显微组织从而表现出极佳的软磁性能[6]。 不同成分对铁基非晶纳米晶软磁性能有很大影响，本文目的是阐明对微观结构和软磁性能有充分研究的元素，如硅，硼，铜，铌，锆，氮掺杂，磷，镍，钴，氢化和锗对铁基非晶纳米晶合金特性的影响。表1总结了各成分的影响结果。 表1.Fe非晶/纳米晶合金添加元素的影响 2.合金元素的影响 2.1 Si和B Fe基合金的GFA比非铁合金系如Mg，Zr，Pd基合金低得多。事实上，通过铜模铸造在Zr和Pd基合金中可获得厚度大于1mm的块状金属玻璃，而在Fe基合金中形成的带材厚度只有几微米。添加B和Si可促进合金凝固过程中非晶态结构的形成，并且B对GFA的提高效应是Si的5倍[8]。此外，应当注意，尽管B可以增强GFA，但它也可以减少一次和二次结晶峰之间的安全间隙，如图2所示。这种物

纳米材料物理热学性质

纳米材料的热学性质 纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级 ( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达 l 5 ～5 0 ％。纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。 一热容 1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。 1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。 2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小， 二.晶格参数，结合能，内聚能 纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现 Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。结合能的确比相应块体材料的结合能要低。通过分子动力学方法，模拟 Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对 晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。 三纳米粒子的熔解热力学 熔解温度是材料最基本的性能，几乎所有材料的性能如力学性能，物理性能以及化学性能都是工作温度比熔解温度( T /Tm )的函数，除了熔解温度外，熔解焓和熔解熵也是描述材料熔解热力学的重要参量；熔解焓表示体系在熔解的过程中，吸收热量的多少，而熔解熵则是体系熔解过程中熵值的变化。几乎整个熔解热力学理论就是围绕着熔解温度，熔解熵和熔解焓建立的块体材料的熔解温度(有时称熔点) 熔解焓(或称熔解热)和熔解熵一般是常数，但对于纳米材料则非如此实验表明:纳米微粒的熔解温度依赖于微粒的尺寸。 四反应体系的化学平衡 利用纳米氧化铜和纳米氧化锌分别与硫酸氢钠溶液的反应，测定出不同粒径，不同温度时每个组分反应的平衡浓度，从而计算出平衡常数，进而得到化学反应的标准摩尔吉布斯函数;通过不同温度的标准摩尔吉布斯函数，可得化学反

纳米晶对CuZr基非晶合金变形行为的影响

Material Sciences 材料科学, 2014, 4, 225-232 Published Online November 2014 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/6f17761863.html,/journal/ms https://www.wendangku.net/doc/6f17761863.html,/10.12677/ms.2014.46032 The Effect of Nanocrystals on the Plastic Deformation Ability of CuZr-Based BMG Lincai Zhang1,2, Zhenya Song3, Xiaodong Guo1, Yanhua Hou1 1Jiangsu Provincial Key Laboratory for Interventinal Medical Devices, Huai’an 2State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 3Shaoxing University, Shaoxing Email: vicande@https://www.wendangku.net/doc/6f17761863.html, Received: Sep. 30th, 2014; revised: Oct. 15th, 2014; accepted: Oct. 30th, 2014 Copyright ? 2014 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.wendangku.net/doc/6f17761863.html,/licenses/by/4.0/ Abstract The CuZr-based fully amorphous alloy and composites containing in-situ nanocrystals with large size were prepared. Without the influence of specimen geometry, their mechanical behaviors un-der compression were systematically studied and compared, confirming the important role of in- situ nanocrystals on the plastic deformation ability. At the same time, the coexistence of free vo-lume and small nanocrystals can efficiently enhance the plastic deformation ability, providing a useful guideline for large plasticity in BMG composites with nanocrystalline prepared from fully amorphous alloy. Keywords Nanocrystals, Free Volume, Mechanical Behaviors, Fracture Morphology 纳米晶对CuZr基非晶合金变形行为的影响 张临财1,2，宋振亚3，郭啸栋1，侯彦华1 1江苏省介入医疗器械研究重点实验室，淮安 2西安交通大学，金属材料强度国家重点实验室，西安 3绍兴文理学院，绍兴 Email: vicande@https://www.wendangku.net/doc/6f17761863.html, 收稿日期：2014年9月30日；修回日期：2014年10月15日；录用日期：2014年10月30日

材料非晶晶化方法

按照晶化机制，非晶合金纳米晶化的方法主要有：热致晶化、电致晶化、机械晶化和高压晶化。 (1) 热致晶化 热致晶化包括通常采用的等温退火法和分步退火法。等温退火法的处理过程是：快速加热使非晶样品达到预定温度，在该温度(低于常规的晶化温度)保温一定时间，然后冷却至室温，其中最关键的两个因素是退火温度和退火时间；分步退火法是在等温退火的基础上改进的一种方法，是指将非晶样品在较低温度下等温退火一定时间，然后再在较高温度下等温退火一定时间，控制好退火参数使得从非晶基体中析出尺寸在纳米范围内的晶体相。(2)电致晶化 电致晶化包括闪光退火、焦耳加热和电脉冲退火三种方式。闪光退火法是对非晶合金施加短时的强电流脉冲实现快速加热使之发生纳米晶化，这种方法可以明显减小成分对晶化后合金微结构的影响；焦耳加热法是指在非晶样品上施加较长时间的连续电流；电脉冲退火法是用高密度直流电脉冲对非晶合金进行处理使之发生纳米晶化。 (3)机械晶化 机械晶化法是利用高能球磨技术在干燥的球型装料机内，在Ar气保护下通过机械研磨过程中高速运行的硬质钢球与研磨体之间相互碰撞，对非晶粉末反复进行熔结、断裂、再熔结的过程使得非晶发生纳米晶化。该方法适应面广、成本低、产量大、工艺简单。存在的问题是研磨过程中易产生杂质、污染、氧化及应力，很难得到洁净的纳米晶体界面，对一些基础性的研究工作不利。 (4)高压晶化 高压晶化包括激波诱导和高压退火两种方式。激波诱导法是将样品置于激波管低压末端，当按一定比例配方的氢氧混合气体经点火爆炸后在低压腔内形成高温、高压、高能的激波对样品产生作用，在微秒量级的时间内，使非晶转变为晶化度很高的纳米晶态；高压退火法是指在高压下对非晶样品施加退火工艺。

材料热力学计算及其在合金制备中的应用

材料热力学计算 及其在纳米材料中的应用 一导论 材料热力学对于材料科学的研究和发展有着重要的意义。相图在材料工程中有重要的应用价值，它和合金体系中各相的热力学参数是材料设计和制备的重要依据之一。从理论上来说，热力学和相图之间的联系不存在任何障碍。但从历史上看，两者却是沿着各自的方向独立发展。传统上，相图主要是用热分析、金相分析和X射线结构分析等实验方法测定，并没有用到热力学知识，也没有完全将热力学用来解决生产实际问题。而热力学则主要是对相平衡进行理论分析，提出不同状态下平衡过程的方向和限度，其实验数据主要是热化学性质的测定。直至近年来，由于在溶液模型、数值方法和计算机软件等方面取得较大的进展，这才使得人门能够将热力学应用到相图中来。热力学和相图的计算机耦合形成了CALPHAD(computer CALculations of Phase Diagram)技术。CALPHAD技术主要是依据热力学原理和基本关系计算物质体系的平衡性质。一个物质体系的热力学特征函数确定，这个物质体系的全部热力学性质都可计算出来，其中包括相图。这就是CALPHAD技术中的相平衡计算部分。 二CALPHAD技术的发展 现今CALPHAD方法的内涵已由相图和热化学的计算机耦合拓展至宏观热力学计算与量子化学第一性原理计算相结合、宏观热力学计算与动力学模拟相结合、建立新一代计算软件和多功能数据库(multi-function database),其科学内容十分丰富,已成为材料科学比较成熟的重要分支., CALPHAD可以按照常规方法进行复杂的相平衡计算,而且还是建立在合理的物理基础之上。已经有大量可以在PC上运行的软件来进行复杂计算,例如FACT[5]、MTDATA[6]、Lukas Program[7]、Ther-mo-Calc[8]、ChemSage等[9]已在全球通用;建立了许多相图热力学数据库,如SGTE纯物质数据库、溶液数据库等。这些软件运行时不需要大量的专门技术,并且在不断地升级以采用更精确的热力学模型和算法更新现有的数据库,在很多情况下可以预测多元合金的相平衡,并与实验结果接近。目前,新一代的软件也在不断地开发完善之中,例如WinPhad[10]和PANDAT等[11]。因此,CALPHAD成为了一个成熟的科学分支,事实上,已经进入了其发展的另一个阶段,强调的是扩展其应用范围的集中要求。

硅钢片铁芯、坡莫合金、非晶及纳米晶软磁合金

硅钢片铁芯、坡莫合金、非晶及纳米晶软磁合金 磁性材料 一. 磁性材料的基本特性 1. 磁性材料的磁化曲线 磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场h 作用下，必有相应的磁化强度m 或磁感应强度b，它们随磁场强度h 的变化曲线称为磁化曲线（m～h或b～h曲线）。磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁滞现象。即当磁场强度h 足够大时，磁化强度m达到一个确定的饱和值ms，继续增大h，ms保持不变；以及当材料的m值达到饱和后，外磁场h降低为零时，m并不恢复为零，而是沿msmr曲线变化。材料的工作状态相当于m～h曲线或b～h曲线上的某一点，该点常称为工作点。 2. 软磁材料的常用磁性能参数 饱和磁感应强度bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整洁排列。 剩余磁感应强度br：是磁滞回线上的特征参数，h回到0时的b值。 矩形比：br∕bs 矫顽力hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。 磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的b与h的比值，与器件工作状态密切相关。 初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。 居里温度tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。 损耗p：磁滞损耗ph及涡流损耗pe p = ph + pe = af + bf2+ c pe ∝f2 t2 / ，ρ 降低， 磁滞损耗ph的方法是降低矫顽力hc；降低涡流损耗pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为： 总功率耗散（mw）/表面积（cm2） 3. 软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换 在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压～电流特性。器件的电压～电流特性与磁芯的几何外形及磁化状态密切相关。设计者必须熟知材料的磁化过程并拿握材料的磁性参数与器件电气参数的转换关系。设计软磁器件通常包括三个步骤：正确选用磁性材料；合理确定磁芯的几何外形及尺寸；根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数。 二、软磁材料的发展及种类 1. 软磁材料的发展 软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。随着电力工及电讯技术的兴起，开始使用低碳钢制造电机和变压器，在电话线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁粉、氧化铁、细铁丝等。到20世纪初，研制出了硅钢片代替低碳钢，提高了变压器的效率，降低了损耗。直至现在硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位。到20年代，无线电技术的兴起，促进了高导磁材料的发展，出现了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。从40年代到60年代，是科学技术飞速发展的时期，雷达、电视广播、集成电路的发明等，对软磁材料的要求也更高，生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。进入70年代，随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展，研制出了磁头用软磁合金，除了传统的晶态软磁合金外，又兴起了另一类材料—非晶

非晶合金纳米晶薄带生产建设可行性研究报告

非晶合金纳米晶薄带生产建设项目 可行性研究报告 第一章项目概况 (3) 第一节基本情况 (3) 第二节项目产品描述 (3) 由上表可见，平均空载损耗降低70%?80%,其节能效果显著.5 第三节项目背景 (5) 第二章企业基本情况 (7) 第三章产品需求分析和改造的必要性 (9) 第一节项目建设的必要性 (9) 第二节市场需求分析 (10) 第四章改造的主要内容和目标 (11) 第一节厂址选择和建设条件 (11) 第二节生产规模 (13)

第三节工艺技术方案 (13) 第四节工程方案 (17) 第五节节能 (20) 第六节环境保护与劳动安全与工业卫生 (21) 第五章项目总投资、资金来源和资金构成 (25) 第六章人员培训及技术来源 (26) 第七章项目实施进度计划 (27) 第八章公司发展战略与市场营销计划 (28) 第九章项目经济效益和社会效益分析 (28) 第一节社会效益 (28) 第二节经济效益 (29) 第十章开发项目的技术经济分析 (31) 第一节风险分析 (31) 第二节风险对策 (32) 第一章概况 第一节基本情况 一、项目名称：非晶合金、纳米晶薄带生产 二、承办单位：**有限公司 三、企业性质：有限责任公司

四、企业法人： 五、项目建设地点： 第二节项目产品描述 非晶合金薄带是70年代问世的一种新型软磁材料，它采用先进的速凝固技术，把熔化的钢液以1X06C/S的冷却速度直接冷却成厚度仅为 20um—40um的金属薄带，与传统金属带材生产工艺相比，节省了五?六道工序。生产过程节能，无污染排放。由于采取了超急冷却技术，带材中原子排列组合上具有短程有序，长程无序特点的非晶合金组织。该合金具有许多独特性能特点：如优异的磁性，耐蚀性，耐磨性，高硬度，高电阻率等，被人们称为二^一世纪最新的绿色环保软磁材料。 该材料的应用范围广阔，可替代传统的硅钢，铁氧体和坡莫合金等软磁材料，用该材料作为铁芯主要用材并制造的非晶合金配电变压器，与用硅钢片作为铁芯的配电变压器比对，具有很好的节能效果。其比对效果见下表：