在日常生活中人们接触的材料一般有两种:一种是晶态材料，另一种是非晶态材料。所谓晶态材料，是指材料内部的原子排列遵循一定的规律。反之，内部原子排列处于无规则状态，则为非晶态材料。象食盐、宝石等都是晶态材料，而木材、纺织品和玻璃属非晶态材料。以往我们认识的所有金属，其内部原子排列有序，都属于晶态材料。

原子在三维空间呈拓扑无序状排列，不存在长程周期性，但在几个原子间距的范围内，原子的排列仍然有着一定的规律，因此可以认为非晶态合金的原子结构为"长程无序，短程有序"。通常定义非晶态合金的短程有序区小于1.5nm，即不超过4-5个原子间距，从而与纳米晶或微晶相区别=短程有序可分为化学短程有序和拓扑短程有序两类。

非晶态金属至少含有两个组元，除了不同类原子的尺度差别、稳定相结构和原子长程迁移率等因素以外，不同类原子之间的原子作用力在非晶态合金的形成过程中起着重要作用。化学短程有序的影响通常只局限于近邻原子，因此一般用近邻组分与平均值之差作为化学短程有序参数，对于二元A-B体系为[8]

up=1-ZAB/(ZcB)=1-ZBA/(ZcA)

其中ZAu和ZuA分别代表A(或B)原子近邻的B(或A)原子配位数，Z是原子总配位数。cA和cu分别是A与B原子在合金中的平均浓度。当A和B两种原子直径明显不同时，A原子的总本位数ZA与B原子的总配位数Zi3不再相同，ZA≠Ze，这时短程有序另一种定义[9]:

指围绕某一原子的局域结构的短程有序。常用几种不同的结构参数描述非晶态与合金的结构特征，主要有原子分布函数、干涉函数、近邻原子距离与配位数和质量密度。

8.1.1.2原子分布函数

设非晶态结构是各向同性的均匀结构，其平均原子密度Po为--定体积y中包含的原子数N:

Po=N/V

描述某一原子附近的密度变化可用径向分布函数RDF(r):

RDF(r)=4*3.14xr2p(r)

其中r是距某中心原子的距离，p(r)是距离r处的密度，由上式可知，RDF(r)dr代表以某个原子为中心，在半径r处、厚度为dr的球壳内的原子数，从而RDF(r)=dN/dr表示原子数目(密度)随距离增加的变化。

定义约化径向分布函数G(r)为:

G(r)=4x3.14*r[p(r)-po]

几种过渡金属-类金属非晶态合金的约化径向分布函数如图8-1所示，函数值随着与中心原子的距离增大而呈有规律的起伏。此外，还定义双体分布函数g(r):

z(r)=p(r)/p。

当合金中包含几种不同类原子时，引入偏径向密度函数pii(r)、偏双体分布函数gii(r)、偏约化径向分布函数GO(r)等参数描述原子之间的结构关系。例如，pji(r)指与某个第i类踩子的距离为r处，单位体积中第j类原子的数目。上述各个原子分布函数中，原子密度p(r)和原子径向分布函数RDF(r)有明确物理意义，G(r)的物理意义虽然不明确，但它同RDF(r)一样能反映非晶态结构特征，对体系作x射线衍射测量得到结构因数S(Q)，再作傅立叶变换即可获得G(r)，因此它也常被用于表征非晶态结构。

X射线衍射技术是研究非晶态结构的基本手段。测量非晶结构的干涉散射强度I(Q)和结构因数S(Q)后，经过适当的傅立叶变换就可以得到约化径向分布函数G(r)。

非晶态合金(英文名:amorphous state alloy)是近30年出现的具有新型微观组织结构的金属功能材料，其制取工艺是将熔融的母合金以大于每秒一百万度的冷却速度快速凝固而成，其原子在凝固过程中来不及按周期排列，故形成了长程无序的非结晶状态，与通常情况下金属材料的原子排列呈周期性和对称性不同，因而称之为非晶合金。

一种没有原子三维周期性排列的金属或合金固体。

它在超过几个原子间距范围以外，不具有长程有序的晶体点阵排列。

和普通晶态金属与合金相比，非晶态金属与合金具有较高的强度、良好的磁学性能和抗腐蚀性能等，通常又称之为金属玻璃或玻璃态合金。可部分替代硅钢、玻莫合金和铁氧体等软磁材料，且综合性能高于这些材料。

最早发现非晶合金的是1940年左右由美国科学家通过电解做出来的，后来美国另外一个科学家通过液体凝固做出了金-硅非晶合金。到上世纪七八十年代，许多的科学家研究非晶合金，但是一直没有太大的进展，到1990年，我国留学生张涛在日本留学期间，发现了大块非晶材料。从此，大块非晶材料有了很快的发展，如今国内高校和科研机构对金属非晶材料的研究比较多，科研成果也比较突出。

基于非晶金属材料有很好的性能，大部分的研究是将大块非晶如何应用于生产。但由于非晶合金的体系不是很完善，种类也不是很多，也有一大部分科研团队在开发新的非晶态合金。

金属能不能产生非晶态

金属能不能产生非晶态呢?这一直是近代科学家着重破译的一道难题。科学家发现，金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一但金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金。可见，产生非晶态合金的技术关键之一，就是如何快速冷却的问题。 制备非晶态合金采用的正是一种快速凝固的工艺。将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上，即单辊旋转淬冷法。钢水以每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300℃的钢水降到200℃以下，形成非晶带材。 发达国家对非晶合金制造技术一直严格实施技术封锁。我国科学家历经近二十年的不懈努力，终于在"九五"期间，实现了在制备非晶态合金领域的技术跨越，掌握了具有自主知识产权的核心技术。并在非晶态合金产业化方面取得了突破性的进展，形成了年产4000吨的产业规模。填补了我国冶金工业中的一项技术空白。 非晶态合金与晶态合金相比，在物理性能、化学性能和机械性能方面都发生了显著的变化。以铁元素为主的非晶态合金为例，它具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点。现代工业多用它制造配电变压器铁芯。 目前我国已能够根据市场需要，生产不同规格的非晶带材，宽度可达220mm。这种非晶态合金制造的变压器与传统的硅钢铁芯的变压器相比，空载损耗要降低60%~80%，具有明显的节能效果。如果把我国现有的配电变压器全部换成非晶态合金变压器，那么每年可为国家节约电90亿千瓦小时，这就意味着，每年可以少建一座100万千瓦火力发电厂，减少燃煤364万吨，减少二氧化碳等废气排放900多万立方米。从这个意义上讲，非晶态合金被人们誉为"绿色材料"。 此外非晶态合金材料，还被广泛地应用于电子、航空、航天、机械、微电子等众多领域中，例如，用于航空航天领域，可以减轻电源、设备重量，增加有效载荷。用于民用电力、电子设备，可大大缩小电源体积，提高效率，增强抗干扰能力。微型铁芯可大量应用于综合业务数字网ISDN中的变压器。非晶条带用来制造超级市场和图书馆防盗系统的传感器标签。非晶合金神奇的功效，具有广阔的市场前景。在第十个五年计划期间:我国的科技工作者必将在非晶态合金技术领域做出更加令世人瞩目的贡献。

非晶态合金传感器技术与应用

关键词:非晶态合金 传感器 赵英俊

分类: 工业技术 >自动化元件、部件