非晶合金微丝.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,非晶合金微丝,主要内容,一、非晶合金材料综述,二、非晶合金微丝的应用机理,三、非晶合金微丝的应用,一、非晶合金材料综述,非晶合金的定义,非晶合金的形成理论,非晶合金的种类及性能,非晶合金国内外发展与现状,非晶合金的定义,非晶合金合金内部结构中原子排列不具有长程有序的合金，非晶合金也被称为玻璃态合金或金属玻璃,.,结构特征：,长程无序和短程有序；,结构和成分均匀；,结构相变；,自由体积。,晶态、非晶态合金结构示意图,（,a,）非晶合金的,XRD,衍射图,(b),非晶合金的电子衍射谱,典型非晶合金的衍射图谱,非晶合金的形成理论,非晶合金形成热力学原理,根据热力学原理，当金属或合金熔体发生结晶时，其体系自由能的变化可表示为：,对于合金体系，若,G,愈大，表明过冷液体发生结晶转变的驱动力越大，则体系非晶形成能力弱，相反非晶形成能力强。,非晶合金形成动力学原理,液态到固态的冷却过程中，如果熔体能够冷到足够低的温度而不发生结晶，就会形成非晶态。即在动力学条件上抑制了结晶的形核与长大。结晶时晶体相的形核率,I,和长大速率,U,可表示为：,其中，,为黏度，,为比表面张力，,为比熔化焓,1/3,反映了过冷液体的稳定性，当,1/3,时，在一定冷却速率下可以抑制结晶而形成非晶；当,1/3,时,，则无法抑制结晶的形成；,愈大，表明原子扩散的阻力愈大，抑制晶核的形成与长大，有利于提高过冷液体的稳定性。,非晶合金非晶形成能力判据,约化玻璃转变温度准则：约化玻璃转变温度（,T,rg,=T,g,/T,m,）越高，非晶就越容易形成；,共晶点准则：深共晶的合金,T,g,变化不大，具有高,T,rg,值，易找到具有高非晶形成能力的合金；,过冷液相区宽度（,T,x,=T,x,-T,g,）越大，热稳定性越高，非晶形成能力越强；,参数,=T,x,/(T,g,+T,l,),，综合考虑熔体冷却过程中的结晶和过冷熔体在加热时的晶化；,井上明久的三个经验规律：,合金体系由三个或三个以上的元素组成；,组成合金系的组元之间有较大的原子尺寸比，且满足大、中、小的原则，其中主要组成元素之间的原子尺寸比应大于,12%,；,组成元素之间的混合热为负值；,多元短程序畴过冷判据：多元短程序畴熔体过冷度与均匀熔体过冷度的差值越大，合金非晶形成能力越强。,非晶合金的种类,按照成分，有使用价值的非晶合金可以分为以下几种：,过渡族,-,类金属（,TM-M,）型，如（,Fe,、,Co,、,Ni,）,-(B,、,Si,、,p,、,C,、,Al),非晶合金；,稀土,-,过渡族（,RE-TM,）型，如（,Gd,、,Tb,、,Dy,）,-(Fe,、,Co),非晶合金；,后过渡族,-,前过渡族（,LT-ET,）型，如（,Fe,、,Co,、,Ni,）,-,（,Zr,、,Ti,）非晶合金；,其他铝基和镁基轻金属非晶材料，如,Al-RE,、,Al-RE-TM,非晶合金。,非晶合金国内外发展及其现状,20世纪30年代末，德国人Karmer采用蒸发沉积法首先发现了附着在玻璃冷基底上的非晶态金属膜。,1960年，人Duwez等首次采用快速凝固的方法得到了Au70Si30非晶合金薄带标志着非晶合金这一新材料研究领域的启动。,20世纪70年代中期，在实验室利用Taylor-Ulitovk方法成功制备出玻璃包覆非晶合金微丝，并已实现 产业化和商业化。,1978年，Ohnaka等人首先提出了内圆水纺喷丝的基本概念；1980年，Masu-moto等人采用内圆水纺纺丝法制备出非晶合金微丝。,20世纪90年代，人们在大块非晶合金制备方面取得突破性进展：,Inoue等成功制备了Mg-Y-(Cu,Ni),La-Al-Ni-Cu,Zr-Al-Ni-Cu等非晶形成能力很高，直径为110 mm的棒，块状大块非晶合金。,Johnson等也发现了非晶形成能力比较好的Zr-Ti-Ni-Cu-Be合金体系。,目前已开发出La基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Pd基、Fe基、Cu基、Ce基等非晶合金材料体系。,非晶合金国内发展及其现状,我国从,1976,年开始非晶合金的研究工作，国家科委从“六五”开始连续,5,个五年计划均将非晶、纳米晶合金研究开发和产业化列入重大科技攻关项目，共取得,100,多项科研成果和,20,多项专利。,20,世纪,80,年代末，国内东北大学和包头稀土研究院采用内圆水纺法初步开展了非晶合金丝材的制备技术、材料特性和应用基础研究，其中部分成果在军工领域获得应用。,目前国内约有,10,余家企业可以规模化生产非晶、纳米晶合金带材及其制品，其中非晶带材的生产能力达到万吨级，纳米晶带材的年产量超过千吨级，现已初步形成非晶合金科研开发和应用体系。,20世纪70年代中期，在实验室利用Taylor-Ulitovk方法成功制备出玻璃包覆非晶合金微丝，并已实现 产业化和商业化。,吸波材料的原理及技术方案：,若在非晶合金微丝两端加扭力矩后脉冲电压信号增强。,合金体系由三个或三个以上的元素组成；,共晶点准则：深共晶的合金Tg变化不大，具有高Trg值，易找到具有高非晶形成能力的合金；,典型非晶合金的衍射图谱,基于电学性能的非晶合金微丝的应用,组成合金系的组元之间有较大的原子尺寸比，且满足大、中、小的原则，其中主要组成元素之间的原子尺寸比应大于12%；,非晶合金国内发展及其现状,参数=Tx/(Tg+Tl)，综合考虑熔体冷却过程中的结晶和过冷熔体在加热时的晶化；,过冷液相区宽度（Tx=Tx-Tg）越大，热稳定性越高，非晶形成能力越强；,巨磁阻抗效应（GMI）,基于磁性能的非晶合金微丝的应用,非晶合金国内外发展与现状,共晶点准则：深共晶的合金Tg变化不大，具有高Trg值，易找到具有高非晶形成能力的合金；,利用磁弹性波传播效应还可制作计数器、霜冻传感器、距离传感器、触动传感器等。,磁敏和力敏传感器的应用领域,二、非晶合金微丝的应用机理,巴克豪森效应（,BJ,）,马特基效应（,Matteucci effect,）,巨磁阻抗效应（,GMI,）,巨应力阻抗效应（,GSI,）,磁弹性波效应,磁致伸缩效应,电磁屏蔽吸波材料,巴克豪森效应,定义：铁磁性材料被交变磁场局部磁化以后，材料内部的磁畴发生错动。实验发现磁畴的不可逆运动和畴壁的不可逆跳跃式位移,使材料表面释放连续的超声波和连续的高频脉冲电压,称为巴克豪森效应（或跳跃）。,产生原因：目前比较公认的看法是巴克豪森噪音主要源于,180,o,畴壁的不可逆运动,90,o,畴壁的不可逆运动和磁畴的不可逆转动。,BJ,原理图,BJ,效应的脉冲信号,马特基效应,马特基效应与大巴克豪森效应的不同之处是不需用感应线圈，直接在非晶丝的两端可检测到脉冲电压信号，马特基信号频率是原垂直磁化场的两倍；,脉冲电压信号与非晶合金微丝长度、励磁线圈匝数、磁化场强度、磁化频率均有关；,若在非晶合金微丝两端加扭力矩后脉冲电压信号增强,。,巨磁阻抗效应,定义：指材料在高频交流电作用下，阻抗随外加磁场的变化而变化的现象。,发展 ：,1935 年俄罗斯人 Harrison 发现磁阻抗效应，但是由于当时材料和应用领域的限制并没有引起注意；,直到九十年代初，名古屋大学 Mohri 教授在 Co基非晶丝中观察到巨磁阻抗效应，并进行应用研究，这一现象才受到人们的广泛重视；,目前已经成为磁性材料及应用领域的研究热点之一。,巨磁阻抗效应,阻抗变化率通常有两种定义,:,第一种定义：,第二种定义：,其中，,Z(H),、,Z(H=0),、,Z(H,max,),分别是外加磁场为,H,、,0,以及最大外加磁场（通常,H10,-2,T,）时材料的阻抗。,第一种定义一般在应用研究中采用，它的优点是能够很直观的显示出磁性材料阻抗随外加磁场的变化情况，但不能直接表示出,GMI,效应的最大变化。,第二种定义的优点是能够充分体现环向磁导率的变化，不足是,GMI,比率的最终大小跟所施加的最大外加磁场有关使不同学者的实验结果进行比较时出现差异。,巨磁阻抗效应,理论解释,趋肤效应：趋肤深度,式中,为试样电阻率，,f,为电流频率，,为试样圆周磁导率,GMI,效应来源于材料的磁导率随外加磁场的变化，可用经典电磁理论来解释，,高频电流激发下导体的阻抗,Z,是电流趋肤深度,的函数，丝状导体的阻抗可表示为：,Z=,R,dc,KaJo(Ka)/2J1(Ka)K=(1+i)/,式中,R,dc,为导体直流电阻，,a,为导体直径，,Jo,和,J1,为贝塞尔函数，,2,=-1,巨应力阻抗效应,定义：,指在非晶合金微丝中通入高频电流时,非晶合金微丝被测量节点之间电压幅值随外加应力的变化而发生非常灵敏的变化的现象。,1997,年毛利教授等人在冷拔后张应力下退火得到的钴基非晶合金微丝中发现了巨应力阻抗效应。,GSI,效应示意图,磁弹性波效应,定义：,指铁磁性材料在交变磁场作用下，由于磁畴壁的突发性不可逆运动产生巴克豪森跳跃,同时释放巴克豪森噪音的现象。,Fe-Si-B,非晶丝是优秀的磁弹性波传播媒体，在几十米的距离内，其磁弹性波传播线性极好。,磁致伸缩效应,定义：,所有的磁性材料,在磁化时因磁畴中磁化方向的改变会引起其晶格间距的改变,从而伴随着磁化过程会发生长度和体积的改变的现象。,磁致伸缩现象由科学家,James Prescott,于,1842,年发现的，这种现象有,3,种表现形式：,纵向磁致伸缩，是指沿着外磁场方向尺寸大小的相对变化；,横向磁致伸缩，是指垂直于外磁场方向尺寸大小的相对变化；,体积磁致伸缩，是指铁磁体被磁化时其体积大小的相对变化。,电磁屏蔽吸波材料,电磁波屏蔽是指电磁波的能量被表面反射或吸收而使其传播受阻或减少。,屏蔽效能总和可以分为反射损失，吸收损失以及材料内部多次反射损失。电磁波能量的衰减程度的大小表示了屏蔽效应的好坏，它以分贝值,(dB),来表示，分贝值越大，则衰减的效果越好。,高频电磁场时，由于趋肤效应,电的良导体,如铜、铝等,能获得满意的屏蔽效能。,直流或低频磁场时，使用磁导率高的屏蔽材料，为磁场提供一条磁阻很低的通路（磁旁路），将磁力线约束在这条低磁阻通路中，使敏感器件免受磁场的干扰。,电磁屏蔽吸波材料,吸波材料的原理及技术方案：,吸波材料的吸波原理是吸收或衰减入射电磁波，并将电磁能转变成热能或其它形式的能量而耗散掉。,吸波技术包括涂层吸波和结构吸波，涂层吸波是指在结构表面涂敷具有吸波功能的涂料，结构吸波材料具有吸波和承载双重性能。,按损耗机理的不同,可分为介电型吸波材料和磁性吸波材料：,介电型吸波材料的主要特点是具有高的介电常数和介电损耗角，以介质的电子极化或界面衰减来吸收电磁波；磁性吸波材料损耗机理主要为铁磁共振吸收，具有较大的磁损耗角，以涡流损耗、磁滞损耗、剩余损耗机制衰减吸收电磁波。,按吸收原理分为吸收型和干涉型两类：,吸收型主要是材料本身对雷达波损耗吸收；而干涉型利用吸波层表面反射和底层反射波的振幅相等、相位相反进行干涉抵消。,三、非晶合金微丝的应用,基于磁性能的非晶合金微丝的应用,基于电学性能的非晶合金微丝的应用,基于力学性能的非晶合金微丝的应用,基于磁性能的非晶合金微丝的应用,基于大巴克豪森（,LBJ,）效应的应用,防盗标签,正磁致伸缩的铁基非晶合金丝具有独特的大巴克豪森效应，交流磁场激励下的脉冲波形很窄；非晶合金丝特别适用于谐波式防盗标签。应用于图书馆、书店、超市等。,防伪、鉴识,将具,LJB,的软磁材料置于被保 护的物体上，,并通过探测软磁材料特殊的非线性响应，达到鉴识物体真伪的目的。非晶合金丝应用于纸币、有价证券、保密文档防伪时，通常以短纤维的形式分布在其中。,参数=Tx/(Tg+Tl)，综合考虑熔体冷却过程中的结晶和过冷熔体在加热时的晶化；,Johnson等也发现了非晶形成能力比较好的Zr-Ti-Ni-Cu-Be合金体系。,基于磁性能的非晶合金微丝的应用,基于电学性能的非晶合金微丝的应用,GMI效应来源于材料的磁导率随外加磁场的变化，可用经典电磁理论来解释，高频电流激发下导体的阻抗Z是电流趋肤深度的函数，丝状导体的阻抗可表示为：,非晶合金具有优异的软磁特性，同时又具有很高的机械强度、好的韧性及耐磨性，成为使用最广泛的电磁屏蔽材料。,即在动力学条件上抑制了结晶的形核与长大。,密度小，质量轻，容易满足吸波材料“轻”的要求。,将多根具有不同矫顽力的非晶丝集成在一个标签上，可以实现识别物体多重特征的编码功能。,磁敏和力敏传感器的应用领域,三、非晶合金微丝的应用,基于巨磁阻抗（GMI）效应的应用,愈大，表明原子扩散的阻力愈大，抑制晶核的形成与长大，有利于提高过冷液体的稳定性。,其他铝基和镁基轻金属非晶材料，如Al-RE、Al-RE-TM非晶合金。,介电型吸波材料的主要特点是具有高的介电常数和介电损耗角，以介质的电子极化或界面衰减来吸收电磁波；,基于磁性能的非晶合金微丝的应用,ID,标签,将多根具有不同矫顽力的非晶丝集成在一个标签上，可以实现识别物体多重特征的编码功能。当具有矩形磁滞回线、但矫顽力不同的多根非晶丝置于交变磁场中时，在一个周期内的不同时刻产生磁化翻转（,LBJ,）将这种时序响应信号转为数字编码便构成了磁性,ID,标签。,磁性,ID,标签示意（,a,）、不同矫顽力的磁滞回线（,b,）和,ID,编码示意（,c,）,基于磁性能的非晶合金微丝的应用,基于巨磁阻抗（,GMI,）效应的应用,智能轮胎传感器,在橡胶轮胎中分散加入磁性粒子，并在轮胎内表面安装,SAW,磁敏传感器，随着轮胎的磨损,SAW,磁敏传感器能够感测到磁场减弱，实现对轮胎磨损状态的监测。,具有非晶丝负载的声表面波收发器示意图（,a,）和轮胎磨损检测示意图（,b,）,基于磁性能的非晶合金微丝的应用,利用非晶丝,GMI,传感器实现汽车在高公路行驶中自动导航；用永磁材料制作的磁性标签按一定规则固定在路面上，用非晶丝制作的开关型,GMI,传感器安装在汽车上，汽车在行驶中借助传感器对磁性标签的跟踪实现自动导航功能。,实验现场,汽车导航传感器,基于巨磁阻抗（,GMI,）效应的应用,基于磁性能的非晶合金微丝的应用,基于巨应力阻抗（,GSI,）效应的应用,差动式传感器头,微振动传感器头,磁敏和力敏传感器的应用领域,基于磁性能的非晶合金微丝的应用,基于磁性能的非晶合金微丝的应用,磁弹性位移传感器原理,利用磁性非晶丝的纵向弹性波的传播可以制作位移测定传感器，其原理如右图所示。丝的一段接脉冲电流发生器，一端接定位传感器，丝的上部放一可移动永磁铁，永磁铁到处脉冲电流发生变化，从而获得位置移动量的数值。,利用磁弹性波传播效应还可制作计数器、霜冻传感器、距离传感器、触动传感器等。,基于磁弹性波效应的应用,基于磁性能的非晶合金微丝的应用,电磁屏蔽吸波材料,非晶合金具有优异的软磁特性，同时又具有很高的机械强度、好的韧性及耐磨性，成为使用最广泛的电磁屏蔽材料。由玻璃包覆非晶合金微丝制成的吸波涂层与其他同类吸波材料相比具有如下特点：有明显的谐振峰，在高频波段谐振吸收峰值不少于,-25dB,；不易氧化与团聚，克服了磁性金属粉的缺点；在复合材料中与基体容易结合，结合强度高；密度小，质量轻，容易满足吸波材料“轻”的要求。玻璃包覆微丝的上述特点可为制备新型吸波材料提供新思路。,试样横截面示意图,基于磁学性能的非晶合金微丝的应用,高频滤波器,高频滤波器结构及产品,将钴基玻璃包覆非晶丝绕在一对平行排列的信号线上，利用共模电流引起玻璃包覆非晶丝高频损耗，达到滤除共模干扰信号的作用。这种新型共模滤波器在仍然保持共模干扰单调衰减，克服了传统铁氧体共模滤波器高频性能下降的问题。另外，非晶丝共模滤波器还具有制备工艺简单、体积小的显著特点，易于采用表面安装形式。目前，这种新型滤波器已经成功应用于多种通讯信号线，如,E1/T1,、,10BaseT,、,100BaseT,等。,基于力学性能的非晶合金微丝的应用,非晶合金微丝具有优异的力学性能和耐腐蚀特性，主要用作结构材料，应用于丝锯、鱼丝、受拉构件、高质量杆、传动轴、精密弹簧和纺织品增强纤维等制品中。,基于电学性能的非晶合金微丝的应用,玻璃包覆非晶态金属微丝典型的电学特性是高电阻率，且电阻率随温度变化系数小，利用高电阻特性，可以制作热电转换的加热元件及高压电阻器等。,超导材料,Goto,等制备了玻璃包覆,Pb,49,Si,33,Ge,18,微丝，直径为,34m,，拉伸强度达到,30MPa,，延伸率为,，在温度为,时表现出超导性，具有作为超导材料的潜在应用前景。,基于电学性能的非晶合金微丝的应用,玻璃包覆纯金属微丝,玻璃包覆纯铜微丝,金属芯直径,25m,，,玻璃包覆层厚度,3 m,耐击穿电压,1050 V,以上,抗软化击穿温度大于,400,应用于电极材料，精密元器件绕组用电磁线等,