非晶态物理基础

1、4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 组成物质的原子、分子的空间排列组成物质的原子、分子的空间排列 ，晶体的长程有序受到破，晶体的长程有序受到破 坏，只是由于原子间的相互关联作用，使其坏，只是由于原子间的相互关联作用，使其 在小范围在小范围( () )内，仍然保持着形貌和组内，仍然保持着形貌和组 分的某些有序的特征，具有分的某些有序的特征，具有，并且，并且 在热力学上出现在热力学上出现。人们把这样一类特。人们把这样一类特 殊的物质状态统称为非晶态。殊的物

2、质状态统称为非晶态。 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 非晶非晶 晶体晶体 非晶非晶 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 非晶非晶 晶体晶体 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 其一，非晶态固体中原子的取向和位置不具有长程有其一，非晶态固体中原子的取向和位置不具有长程有 序而具有序而具有短程有序短程有序; ; 其二，非晶态固体属于热力学的其二，非晶态固体属于热力学的亚稳态亚稳态。 凡非晶态固体都共同遵守凡非晶态固体都共同遵守相同的结

3、构特征相同的结构特征 ! 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 三种不同状态物质中原子排列示意图三种不同状态物质中原子排列示意图 非非 晶晶 态态 固固 体体 晶晶 态态 固固 体体 晶晶 态态 固固 体体 气气 体体 非晶态固体中原子位置空间分布不是完全无规则的，非晶态固体中原子位置空间分布不是完全无规则的， 存在一种高度的存在一种高度的局域关联性局域关联性:每个原子有每个原子有3个与其个与其距离距离 几乎相等的最近邻原子几乎相等的最近邻原子，并且，并且键角也几乎是相等键角也几乎是相等的的 玻璃与晶体同样具有玻璃与晶体同样具有高度的短程有序

4、高度的短程有序 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 三种不同状态物质中原子排列示意图三种不同状态物质中原子排列示意图 晶晶 态态 固固 体体 非非 晶晶 态态 固固 体体 晶晶 态态 固固 体体 气气 体体 气体原子排列是一个真正的无规则排列，并且随时间而气体原子排列是一个真正的无规则排列，并且随时间而 改变，时间流逝的效果是，完全推翻图上所示的气体在改变，时间流逝的效果是，完全推翻图上所示的气体在 某一瞬时的结构，原子的运动使气体变成另一个无规则某一瞬时的结构，原子的运动使气体变成另一个无规则 排列；排列； 前两者原子围绕它们的前两者原子

5、围绕它们的平衡位置作振动平衡位置作振动，而后者原子可，而后者原子可 以自由地作以自由地作长距离不停地平移运动长距离不停地平移运动！ 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 从短程有序方面看从短程有序方面看： 金属熔体的短程有序范围为金属熔体的短程有序范围为4个原子间距，个原子间距， 而非晶态金属的短程有序范围为而非晶态金属的短程有序范围为56个原子间距；个原子间距； 从原子的微观运动看从原子的微观运动看： 熔体中原子容易作大于其原子间距的热运动，熔体中原子容易作大于其原子间距的热运动， 而非晶态固体中原子主要作运动距离远小于原子间距而非晶态固体

6、中原子主要作运动距离远小于原子间距 的热振动。的热振动。 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 1、结构长程无序、结构长程无序 2、短程有序、短程有序 3、与熔体结构有质的差别、与熔体结构有质的差别 4、宏观均匀、各向同性（宏观）、宏观均匀、各向同性（宏观） 5、结构的亚稳性结构的亚稳性 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 从热力学观点看，非晶态固体形成后属亚稳态，从热力学观点看，非晶态固体形成后属亚稳态， 非晶态是亚稳相，非晶态是亚稳相，亚稳相容易在外界条件影响下亚稳相容易在外界条件影响

7、下 发生微观结构的各种变化发生微观结构的各种变化，如产生结构弛豫、相，如产生结构弛豫、相 分离及非晶态晶化等。这些结构上的变化必然引分离及非晶态晶化等。这些结构上的变化必然引 起性能的改变。起性能的改变。 例如非晶态的结构弛豫过程，以及由亚稳态向晶例如非晶态的结构弛豫过程，以及由亚稳态向晶 态的转化，都会影响态的转化，都会影响材料的稳定性和使用寿命材料的稳定性和使用寿命。 因此，对任何有应用价值的非晶态材料，都必须因此，对任何有应用价值的非晶态材料，都必须 研究其稳定性。研究其稳定性。 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 放放 热热 非非

8、晶晶 固固 体体 晶化峰晶化峰 Tx Tg Tx Tg:玻璃转变温度玻璃转变温度 Tx:晶化温度晶化温度 非晶非晶晶体晶体 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 200nm 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 中科院物理所中科院物理所极端条件物理实验室极端条件物理实验室研究组最近成功研研究组最近成功研 制出具有超高强度和塑性的制出具有超高强度和塑性的 CuZr 基金属玻璃材料基金属玻璃材料。 该材料具有超高强度，断裂强度达该材料具有超高强度，断裂强度达 2265 MPa ，纯，纯 Cu 的

9、屈服强度约的屈服强度约 100 MPa ，同时具有一般非晶材料，同时具有一般非晶材料 中不具备的加工硬化效应，尤其特别的是该材料具有中不具备的加工硬化效应，尤其特别的是该材料具有 极大的延展性极大的延展性（约（约 20% ， 而一般非晶合金材料的塑而一般非晶合金材料的塑 性只有约性只有约 2% ）。专家分析，该材料非晶结构在）。专家分析，该材料非晶结构在原子原子 尺度的非均匀性能尺度的非均匀性能导致该材料的优异力学性能。这是导致该材料的优异力学性能。这是 在世界上在世界上首次首次用一般金属材料研制出塑性非晶合金材用一般金属材料研制出塑性非晶合金材 料。料。 4 2 5 1 1 0011 001

10、0 1010 1101 0001 0100 1011 物理：未来的材料物理：未来的材料- -非晶质金属非晶质金属 Physical Review Focus 2005 08 08 一种具有未来性的合金一种具有未来性的合金-非晶质金属也许有一天将结合非晶质金属也许有一天将结合 金属原有的强度及导电性以及塑料的廉价及多变性，造金属原有的强度及导电性以及塑料的廉价及多变性，造 成在许多工业上的大革命。例如：使汽车更便宜且更安成在许多工业上的大革命。例如：使汽车更便宜且更安 全或是使奈米组件更容易精密的成形。全或是使奈米组件更容易精密的成形。 钢铁的硬度很高，但是很难去塑型，一定要在很高的温钢铁的硬度

11、很高，但是很难去塑型，一定要在很高的温 度下，才能够弯曲它或将它到入模具中。一般的金属是度下，才能够弯曲它或将它到入模具中。一般的金属是 由晶体所组合而成的，晶体的结构可以使金属具有延展由晶体所组合而成的，晶体的结构可以使金属具有延展 性不易断裂。而性不易断裂。而非晶质金属的结构是不规则的，或是说非晶质金属的结构是不规则的，或是说 在原子尺度下是无序的在原子尺度下是无序的，就像塑料或玻璃一样。因此，就像塑料或玻璃一样。因此， 非晶质金属通常就像玻璃般易碎。非晶质金属通常就像玻璃般易碎。 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 相反的，钢铁在经过

12、挤压后会变得更坚硬，所以人相反的，钢铁在经过挤压后会变得更坚硬，所以人 家说百炼而成钢。然而，非晶质金属将来有可能变家说百炼而成钢。然而，非晶质金属将来有可能变 得如得如钢铁般坚硬又如塑料般多变钢铁般坚硬又如塑料般多变。 在在2005年五月二十七日出版的年五月二十七日出版的 Physical Review Letters 中，有两篇文章分别发表了两种不同的非晶中，有两篇文章分别发表了两种不同的非晶 质金属，一种有如钢铁般坚硬，另一种则有如塑料质金属，一种有如钢铁般坚硬，另一种则有如塑料 般多变。般多变。 在由在由Jurgen Eckert所领军的所领军的Technical University

13、 of Darmstadt in Germany 以及以及 Wei Hua Wang of the Chinese Academy of Sciences in Beijing的团队中，研的团队中，研 究人员将适量的究人员将适量的铝原子加入铜合金铝原子加入铜合金中，得到了一种中，得到了一种 非晶质材料。这种材料在压力下会变得更坚硬，且非晶质材料。这种材料在压力下会变得更坚硬，且 比传统的钢更耐磨及抗腐蚀。比传统的钢更耐磨及抗腐蚀。 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 位于赖特帕特森空军基地的美国空军实验室材料与制造位于赖特帕特森空军基地的美

14、国空军实验室材料与制造 处的科学家及工程师会同大学的研究人员，在处的科学家及工程师会同大学的研究人员，在超韧纳米超韧纳米 复合材料涂层研究领域取得重大进展复合材料涂层研究领域取得重大进展，这种涂层可提高，这种涂层可提高 先进喷气战斗机用发动机的性能，并改进耐久性。先进喷气战斗机用发动机的性能，并改进耐久性。 通过缜密的研究、试验，该研究小组发现并阐明了一种通过缜密的研究、试验，该研究小组发现并阐明了一种 独特的独特的纳米晶纳米晶/ /非晶复合材料的动力学机理非晶复合材料的动力学机理，航空航天专，航空航天专 家们认为，该种材料表现出家们认为，该种材料表现出极高硬度极高硬度，并具有很高应用，并具有

15、很高应用 价值。到目前为止，该项研究成果已向战斗机发动机进价值。到目前为止，该项研究成果已向战斗机发动机进 行新技术移植提供了众多机遇，小企业创新计划的第一行新技术移植提供了众多机遇，小企业创新计划的第一 阶段正试图将其用于改进飞机推进系统的结构并提高性阶段正试图将其用于改进飞机推进系统的结构并提高性 能。与此同时，在民用航空领域也有巨大应用潜力。能。与此同时，在民用航空领域也有巨大应用潜力。 4 2 5 1 1 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 纳米复合材料涂层的应用背景之一是短距起飞垂直降落纳米复合材料涂层的应用背景之一是短距起飞垂直降落 推进系统零件，该零件摩擦副上施加了很大的预加载荷推进系统零件，该零件摩擦副上施加了很大的预加载荷 ，且通过表面强化获得充分效益。，且通过表面强化获得充分效益。 最初，材料与制造处非金属材料部门的研究人员开发出最初，材料与制造处非金属材料部门的研究人员开发出 一类用于航空航天器摩擦副的耐磨材料。这些材料是将一类用于航空航天器摩擦副的耐磨材料。这些材料是将 晶粒尺寸为晶粒尺寸为35纳米的碳化物或氧化物嵌入由钻石状碳或纳米