非晶/纳米晶复合材料制备方法简介

非晶合金的形成

晶体是通过结晶过程形成的具有规则几何形状的固体，它是由原子或者分子按照一定规律周期性排列形成的。与晶体相对应的，原子或分子不规则排列，没有周期性和不具有对称性的固体叫做非晶。它是一种长程无序、短程有序的结构。由于受到非晶形成能力的限制，非晶合金多以粉末、细丝和薄带等低维形式存在。大块非晶合金的出现拉开了非晶合金的序幕，制备要点是冷却过程中抑制晶体相的形核和长大。

非晶合金的制备

目前大块非晶合金的制备方法主要分为两种：直接凝固法和粉末固结法。直接凝固法主要包括水淬法、铜模铸造法、吸铸法、高压铸造法和磁悬浮熔炼法等；粉末固结法是将粉末在过冷液相区压制成大块非晶合金的方法。以下为常见的大块非晶合金制备方法：

（1）水淬法是利用熔体水冷方法制备块体非晶合金的常用方法，具有工艺简单，易于控制等优点。

（2）铜模铸造法是利用熔体在特定形状铜模中冷却得到块体非晶合金的方法。由于铜模冷却速度有限，非晶合金的尺寸也受到一定程度的限制。

（3）高压铸造法基本原理是在氩气保护下，用高频感应线圈将套筒中的母合金加热熔化。在几毫秒内，通过液压推动活塞将熔化的液体推入到水冷铜模中。由于压模速度极高，可以得到较高的冷却速度，因而合金冷却形成大块非晶合金。同时，高压使得液态合金与型腔更紧密接触，疏松等铸造缺陷进而减少，净成形效果佳。对于通常难以制备大块非晶合金的黏性较高的熔体，也可以由此方法制备外形复杂的铸件。

（4）喷铸-吸铸法由于结合了铜模铸造、水冷和吸铸的优势，适合多种块体非晶合金的制备。此方法的优势是采用高频或中频感应加热母合金，并加入磁力搅拌，可以加速合金熔化速度，使得合金成分更加均匀。同时，合金的熔炼量可以由几克到几千克，适合熔炼较大尺寸非晶合金样品。另外，喷铸-吸铸法冲型速度快，可以显著提高冷却速度。

非晶粉末冶金法利用非晶合金粉末在过冷液相区高黏性流动、易于成型的特点，可采用多种加压方式固结成型。常见粉末冶金方法包括：热挤压、热压和放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）等。由于粉末冶金方法利用了原子扩散和粘滞流动，因而更易制备大尺寸净成形的块体非晶合金样品，由此成为兼具生产及应用前景的块体非晶合金制备方法。

非晶合金粉末固结基于非晶合金粉末的制备和过冷液相区的粘性流动进行固结成形。制备非晶合金粉末的方法早已成熟；非晶合金粉末在过冷液相区原子扩散和高压下粉末表面氧化膜的破碎对非晶合金粉末的固结成形起到了关键作用。热挤压方法是将球形非晶合金粉末封装在模具中，将模具加热至过冷液相区并按设定参数进行挤压，最终得到固结块体的方法。热压烧结是另一种制备块体非晶合金的方法。通常，将非晶合金粉末装入模具中，在真空状态下，加载适当的温度、压力和时间，最终得到烧结块体。放电等离子烧结技术是一种新兴的粉末烧结方法，与传统的烧结方法相比，其优势在于烧结温度低、保温时间短和加热速率快等。因此对于非晶、纳米晶粉末的固结成型有很强优越性。

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