液态金属及其应用全套

液态金属及其应用01简介液态金属也称非晶合金或金属玻璃，是一种新型的金属合金。液态金属拥有独特的原子结构，其原子排列完全无序，而传统金属材料原子结构则排列有序。它是金属却有了流动的形态；它极轻却又极强、极硬，是超越铝、镁、钛等传统轻合金的颠覆性材料；它可一次性成型，无需机加工的繁复程序；它是轻合金材料的颠覆者，可应用于3C、汽车、医疗等多个领域，正在逐步占领市场。02非晶合金的特点非晶合金的特点主要取决于其不定型的原子结构，没有特定的晶格结构，所以导致非晶合金具有极佳的力学特性，如高强度、高硬度等机械性能，但是在电力学性能和化学性能上没有明显的优势。（1）高强韧性：明显高于传统的钢铁材料，可以作复合增强材料，如钓鱼杆等。国外已经把块状非晶合金应用于高尔夫球击球拍头和微型齿轮。非晶合金丝材可用在结构零件中，起强化作用。（2）优良的磁性：与传统的金属磁性材料相比，由于非晶合金原子排列无序，没有晶体的各向异性，而且电阻率高，因此具有高的磁导率、低的损耗，是优良的软磁材料，代替硅钢、坡莫合金和铁氧体等作为变压器铁心、互感器、传感器等，可以大大提高变压器效率、缩小体积、减轻重量、降低能耗。非晶合金的磁性能实际上是迄今为止非晶合金最主要的应用领域。（3）简单的制造工艺：非晶合金的制造是在炼钢之后直接喷带，只需一步就制造出了薄带成品，工艺大大简化，节约了大量宝贵的能源，同时无污染物排放，对环境保护非常有利。正是由于非晶合金制造过程节能，同时它的磁性能优良,降低变压器使用过程中的损耗，因此被称为绿色材料和二十一世纪的材料。03非晶合金的应用非晶合金是目前世界各国争相研制的重要新型材料，从智能手机外壳到穿甲弹，从变压器钢片到专业高尔夫球杆，这种新型材料的应用前景极为广泛。目前，非晶合金运用的主要领域包括，电力电子元件，例如高级音响刺头、高频电源用变压器、扼流圈、磁放大器等。（1）航空航天领域：利用大块非晶合金的高比强度，比刚度的优异力学性能，制造航空航天器的主框架，结构珩架，轴承，反射镜支架等结构材料，可大比例的减轻重量，相当于提高了航空发动机的推力比。（2）军事兵器领域：由于大块非晶合金材料在高速载荷作用下具有非常高的动态断裂韧性，是穿甲弹芯的首选材料之一。利用大块非晶合金的高硬度特性还可以成为穿甲防护材料，如装甲，防弹背心等。（3）精密机械及汽车工业：利用非晶结构的特点可以加工出高精度无缺陷的微型齿轮传动机构；利用其高硬度，高耐磨性能可制造汽车发动机中的液压油缸，活塞等耐磨零部件，可大幅度提高其使用寿命。（4）化学工业：利用其抗多种介质腐蚀的特性，可采用大块非晶合金材料制备耐腐蚀零部件，可大幅度提高其使用寿命。（5）医疗与体育器材：大块非晶合金的耐腐蚀性能可成为固定骨折夹板和钉的首选材料；优良的比刚度，比强度和高的硬度是高级体育竞赛如单杠，双杠和撑杆的最好材料。（6）3C行业：金属玻璃最显著的优势，就是高强度、高硬度、高耐磨性，而且既轻又薄，恰好满足3C产品的核心特质。金属玻璃注塑、压铸的塑形方式，可以满足时尚、美观的外形诉求形状诉求。液态金属在工艺上接近“净成形”，所需要的后期加工较少，可以有效降低后加工成本。金属玻璃可通过改变表面结构来改变颜色，后期装饰工艺丰富，颜色更自然，同时耐磨损，不易刮擦掉色。04制备工艺一般来说，常规非晶合金的制备方法有很多，主要分为三大类，即近快速凝固法、快速凝固法和深过冷凝固技术。顾名思义，近快速凝固法和快速凝固法可以获得很快的冷却速率，从而形成非晶合金。而深过冷凝固技术是指提高液体的过冷度达到制备非晶的目的，但冷却速率一般。近快速凝固技术近快速凝固法的冷却速率一般都小于103K/s，主要有：①铜模吸铸法；②粉末冶金技术；③熔体水淬法；④压铸法；⑤非晶条带直接复合一爆炸焊接；⑥定向凝固铸造法；⑦磁悬浮熔炼铜模冷却法；⑧固态反应；⑨从液相中直接制取。水淬法：水淬法是制备块体非晶的常规方法之一，其基本原理是：将母合金置于一石英管中，熔化后连同石英管一起淬入流动水中，以实现快速冷却，形成大块非晶合金。实现这个过程有两种方法：一种是将石英管置于封闭的保护气体系统中进行加热(石英管口敞开)，同时水淬过程也是在封闭的保护气体系统中进行；另一种是将石英管直接在空气中加热(石英管口须封闭)，管内须充入保护气体，待合金熔化后再将石英管淬入流动水中。这种方法熔融金属直接跟流动的水接触，水的比热比较大，可以达到较高的冷却速率，有利于大块非晶合金的形成，但也存在一些问题。铜模吸铸法：铜模吸铸法是制备非晶合金最常用、最便捷的方法之一，其基本原理就是，在惰性气体的保护下用电弧迅速将合金加热至液态后，利用负压将熔融合金直接吸入循环水进行冷却，这样能够实现合金的快速冷却，以此来获得大块非晶合金。这种方法在制备块体金属非晶方面具有其他方法不可超越的优势，该办法就是在环境压力与大气压接近的保护气体体系中熔炼合金，所以没有明显的气孔；由液态转入冷却模的时间较短，加上铜模具有优秀的导热性能和高压水强烈的散热效果，能达到较高的冷却速率，工艺过程比较简单，也易于操作。但是这种方法存在一定的不足，会导致合金熔体在铜模冷却过程中会出现样品表面收缩的现象，这样成品就会存在空隙从而导致样品冷却速率下降，或者是样品表面不够光滑的现象。快速凝固技术目前主要的快速凝固法都是通过液态金属与高导热系数的冷衬底之间的紧密相贴来实现热量的快速传递。快速凝固技术的冷却速率可以达到105K/s以上，制备非晶粉末、薄带等小尺寸(至少在某一维度上)的非晶材料很方便。气枪法(Quntechnique)：基本原理是将熔融的合金液滴，在高压(>50atm)下射向用高导热率材料(一般为纯铜)制成的急冷衬底上获得非晶。由于液态合金与衬底紧密相贴，这种方法的冷却速度极高(>109K/s)，这样由此得到的是合金薄膜，最薄处厚度小于0.5~1.0um。熔体旋转法（ChillBlockMelt-spinning）：将熔融的合金液自坩埚底孔射向一个由高导热系数材料制成的辊子表面上，我们称为，辊子高速旋转，液态合金在辊面上凝固为一条很薄的条带(厚度约20~50um，宽度约2-5mm)。该的冷却速率一般为105~106K/s。而辊面运动的线速越高的时候，合金液的流量就越小，这样得到的合金条带就会愈薄，冷却速度也就愈高。旋铸法使非晶的连续生产成为了可能，目前已成为制取非晶合金条带的一种常规方法。深过冷技术深过冷快速凝固技术是指在尽可能消除异质形核的前提下，使液态金属保持在液相线下数百度不凝固，然后瞬间形核完成液固转变的一种技术。当过冷度足够大时，晶体的形核与长大过冷将受到抑制，由于凝固潜热通过固液界面被过冷熔体吸收，其凝固过程不受外部散热条件所控制，液态金属将凝固为非晶体合金。玻璃包裹法（FluxMeltingTechnique）：玻璃包裹法是利用熔融氧化物作为净化剂，通过熔融氧化物的黏性吸附作用和界面化学作用，使金属熔体中的异质核心转移到熔融氧化物中，使其失去异质形核作用，从而获得较大的过冷度。电磁悬浮法（Electromageticlevitation）：电磁悬浮由高频电流和悬浮线圈组成，悬浮线圈之间存在对称的悬浮力势阱可导致样品能克服重力的束缚，但悬浮线圈又充当加热源，难以保证样品始终处于一个稳定的位置。电磁悬浮是利用强电磁场波来悬浮和定位导电材料，当导电样品置