陳崢

（江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

由于核反應堆的結(jié)構(gòu)材料長期處于高溫、高壓、強中子輻射的環(huán)境中，會對其結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生一定的影響。強輻射還可以溶解腐蝕介質(zhì)，創(chuàng)造包含各種自由基的腐蝕環(huán)境，增加應力腐蝕靈敏度，加速腐蝕。因此，材料的抗輻射能力將直接影響到反應堆的安全工作和使用壽命。另外，由于航天器在長時間的太空環(huán)境下，電子、離子、γ 射線等都會對飛行器的材料和電子產(chǎn)品造成重大影響，從而造成嚴重的故障。所以，如何找到一種可以長期在核反應堆、太空等惡劣環(huán)境下使用的高性能金屬材料，是目前結(jié)構(gòu)材料研究的一個重要課題。

非晶合金是一種新的合金材料，它具有與玻璃相似的形狀。由于金屬熔體沒有時間進行晶化，所以固體合金在熔化過程中仍然存在著混亂的原子，因此，非晶合金被稱作“凝固的液態(tài)”。與常規(guī)的金屬相比，非晶合金的硬度、斷裂韌性、屈服強度均有所提高。因此，在強輻射條件下，非晶態(tài)合金可能是替代材料。

1 非晶合金及其發(fā)展史

非晶合金是一種特殊的長程、短程有序的結(jié)構(gòu)，屬于熱力學的亞穩(wěn)態(tài)。該材料是用各種成分比例不同的金屬原料進行均勻的冶煉，其結(jié)構(gòu)呈玻璃狀，又稱金屬玻璃或玻璃金屬。在相同的冷卻速度下，熔化的金屬合金會在冷卻時形成結(jié)晶狀，而物質(zhì)內(nèi)部的原子也會被按一定的規(guī)律排列。在此基礎上，我們可以看到一些常見的晶體材料，比如：鎂鋁合金、航空鈦合金、鋼鐵廠生產(chǎn)的鋼材。但是，在快速固化的情況下，由于金屬熔體的固化，原子沒有足夠的時間來完成特殊的有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。也就是說，抑制了晶相的形成，一般在迅速冷卻時（達到106 千克/秒或更高的冷卻速度）下形成無定形合金。熔融的金屬原子被凝固，并且仍然是無序的。非晶合金在微觀結(jié)構(gòu)上也被稱為“冷凍熔體”，近年來，人們對其進行了大量的研究，結(jié)果表明：非晶態(tài)合金沒有晶界、位錯、層錯等晶界缺陷。非晶合金因其特殊的結(jié)構(gòu)，在力學、物理、化學、磁能等方面表現(xiàn)出了許多優(yōu)異的性能。因此，非晶合金在電子、機械、化學、防護等領域的發(fā)展和應用，以及在軍用和民用領域的發(fā)展和應用，都需要進一步的研究和發(fā)展。非晶合金的晶體結(jié)構(gòu)不含位錯、晶界等高能，其組織和組成都是統(tǒng)一的，所以不會產(chǎn)生組分的偏析。在氧化條件下，非晶合金表面能形成一層均勻的鈍化薄膜，而損傷后新暴露的金屬表面則能快速地生成一層鈍化膜。所以，這種非晶態(tài)合金的抗腐蝕性能非常好。結(jié)果表明：Zr 基非晶合金在中性和酸性介質(zhì)中具有較好的抗腐蝕性能。美國的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室利用熱噴涂技術對鐵基非晶態(tài)合金進行處理，制成了一個完整的核廢料處理機。與普通輻照、熱酸環(huán)境下服役的普通材料相比，F(xiàn)e 非晶態(tài)合金的B含量比普通高硼鋼高出數(shù)十、數(shù)百倍，中子吸收截面也大大增加，安全使用壽命大大延長，為核材料的應用奠定了基礎[1]。

在核反應堆中，一層材料的開發(fā)是一個不斷發(fā)展的過程，而非晶材料在輻射環(huán)境下的結(jié)構(gòu)與損傷方面的研究尚不夠深入，因此，要深入探討其結(jié)構(gòu)與功能材料的潛力。結(jié)果表明，與常規(guī)抗輻射性相比，大塊狀非晶態(tài)合金對離子束的抵抗能力更強，熱穩(wěn)定性更好，力學、物理化學性能優(yōu)良，抗輻照能力也更強。目前，大塊狀非晶態(tài)合金是一種極具發(fā)展前景的新型應用材料。它在航空、航天、精密機械、通訊等方面得到了廣泛的應用。

2 非晶合金的性能特點

2.1 軟磁性能

軟磁性能的研究是指非晶態(tài)合金對磁場分布和磁通量密度效應等物理化學過程所表現(xiàn)出的敏感程度，一般用它來表示。軟磁性材料中，在鐵素體、鎳基或稀土含量較高時應考慮其退火后產(chǎn)生了大量熱及應力集中現(xiàn)象；當溫度變化較大時則可采用軟磁鐵氧化物硬化處理或者冷固化工藝。非晶合金由于具有良好的磁通性和力學性能而被廣泛用于各種工業(yè)領域，如電子工業(yè)、生物醫(yī)學以及航空航天等。軟磁合金的應用范圍十分廣泛，包括電鍍和電熱加工。

2.2 力學性能

通過對復合材料進行的研究，發(fā)現(xiàn)其在不同工況下，力學性能均有一定程度上的提高。當非晶合金中加入了非晶合金時使得基體金屬間產(chǎn)生結(jié)合力而增強強度；同時也會使基體內(nèi)部奧氏體質(zhì)之間相互影響。固溶強化機理：由于離子注入引起了界面處位和體積密度效應等現(xiàn)象從而導致材料內(nèi)部組織發(fā)生變化，進而改變其力學性能，在一定程度上可以說是一種固溶硬化的過程[2]。

2.3 化學性能

2.3.1 耐蝕性

非晶態(tài)合金因無晶界、沉淀相相界、位錯等易發(fā)生局部腐蝕，且無晶態(tài)合金易產(chǎn)生的組分偏析現(xiàn)象，故其結(jié)構(gòu)與組成均優(yōu)于晶態(tài)合金，且抗腐蝕性較強。非晶態(tài)合金不但在正常條件下不會發(fā)生腐蝕，還可以抑制某些特定條件下產(chǎn)生的裂縫和點蝕。非晶合金因其優(yōu)良的耐腐蝕性能而被廣泛應用于電池電極、海底電纜屏蔽、防腐管道和磁性分離介質(zhì)等。

2.3.2 催化性能

非晶合金具有較高的表面能量，能夠不斷變化組分，催化活性顯著。該產(chǎn)品廣泛用于催化劑的加氫、催化脫氫、催化氧化和電催化等領域。

2.3.3 儲氫性能

一些非晶態(tài)的合金能通過化學反應來吸附并放出氫氣，因此可以作為一種儲存氫氣的物質(zhì)。隨著氫原子占據(jù)的位置和容易生成氫化物的元素的數(shù)量，非晶合金的氫氣吸收能力增大。所以，如果將金屬原子填充到氫氣原子中，就無法儲存氫氣。加入硼和硅可以降低TiNi 形狀記憶合金的吸氫能力。

2.4 光學性能

金屬材料的光學性能取決于它的電子結(jié)構(gòu)。因此，可以使用一些非結(jié)晶物質(zhì)來制作高效的太陽能吸收裝置。非晶合金具有良好的中子和Y 射線的抗輻照能力，在火箭、航天、核反應堆和受控熱核反應等領域得到了廣泛的應用[3]。

3 非晶合金的應用

3.1 磁性領域

Fe、Ni、Co 基非晶合金因其高磁性飽和、高磁導、低矯頑力、低飽和磁致伸縮性，可加工成各種形狀復雜的微鐵心，并可用于計算機、網(wǎng)絡、通訊、工業(yè)自動化等領域。溫區(qū)較寬、溫度較低、使用壽命較長的非晶態(tài)合金是一種新型的蓄冷材料。非晶電動機在無人機、機器人等行業(yè)中也有應用。

3.2 生物醫(yī)用領域

Ca 基、Mg 基的非晶態(tài)合金由于其生物相容性、可降解性、無致敏性，因此可應用于醫(yī)療器械的移植及生產(chǎn)，例如外科手術刀、人工骨骼、人體電磁感應材料、人工牙齒等。鎂基非晶合金因其可降解性、強度高、彈性模量與骨相似，有可能作為新型的人體支架材料。金屬玻璃具有良好的耐腐蝕性能，可用于骨折的夾板和螺釘。非晶合金的導電性能優(yōu)良，耐熱性好，抗菌性能好，彈性好，是一種極具發(fā)展前景的仿生材料[4]。

3.3 3C 行業(yè)

非晶合金的最大優(yōu)點是強度高、硬度高、耐磨性高、重量輕、厚度適中，正好符合3C 的核心特性。非晶合金注塑成型，壓鑄成型，能滿足外形追求時尚美觀的外形要求。液體金屬在工藝上與“凈成形”相近，且不需進行后期處理，能有效地減少后處理費用。還可以通過改變表面的組織而改變色彩，使后期的裝飾工藝更加豐富，色彩更加天然，而且耐磨、不易劃傷、褪色。

3.4 汽車行業(yè)

非晶態(tài)合金具有高硬度和高耐磨性能，可用于汽車引擎的液壓缸、活塞等耐磨零件，大大延長其使用壽命；在車輛使用中，主要的性能包括：精度、抗腐蝕、表面處理和彈性。非晶合金的收縮率幾乎為零，通過模具注塑的零件往往能達到最精確的CNC 加工工藝，不需要打磨，也不需要打磨，就能達到近乎光學的光潔度。鐵基非晶合金作為電子變壓器、電感器、電抗器的核心，其能量轉(zhuǎn)換效率高，在新能源汽車充電領域有著很好的應用前景。

3.5 其他技術領域

由于非晶合金具有較高的強度、較高的剛度和較好的抗磨損性能，因此可以用于航天飛機的主要結(jié)構(gòu)材料，如主框架、軸承等，從而大大減輕了它們的重量，相當于增加了引擎的推進比；由于非晶合金中的原子不存在通道效應，因此可以很好地捕獲太陽風中的高能粒子。

鈷基非晶是一種新型的軍用穿甲彈的原材料。Fe基非晶合金具有高硬度、高耐磨、無磁性、無腐蝕等優(yōu)良特性，可用于航空母艦等艦艇的防腐、隱身、耐磨、輕量化、抗腐蝕、電子設備等領域[5]。

4 非晶合金的離子輻照效應

非晶態(tài)合金的離子輻照效應是由離子體與非晶態(tài)合金的交互作用引起的微觀結(jié)構(gòu)、物理化學及機械性能的改變。從熱力學的觀點來看，單一的離子只包含了幾個電子伏特，而高能離子的能量可以達到千伏特，甚至可以達到GeV。在高能離子與固態(tài)物質(zhì)的相互作用中，會產(chǎn)生與原子的碰撞，從而導致能量的損耗。電子能損耗是指進入的離子與原子的不彈性撞擊，激發(fā)了原子并使其電離，使其進入的離子的一部分能轉(zhuǎn)化成原子的內(nèi)部能。由于電子能量的損耗，會導致絕緣體、半導體內(nèi)部的空位和電子密度發(fā)生變化，進而對材料的性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。由于進入的離子和原子核的彈性撞擊，會將一部分的能量轉(zhuǎn)移到原子核上，由此產(chǎn)生的能量損耗叫做核能損耗。在非晶態(tài)合金中，以核能損耗引起的結(jié)構(gòu)缺陷和輻射損害為主要特征。在非晶合金中，由于進入的離子與靶原子的碰撞，引起了靶體的離位，產(chǎn)生了大量的空位和空位，并將空位和間隙的原子分開，形成了離位峰，而離位峰附近的空間原子動能很低，會將自己的能量轉(zhuǎn)化為熱能，大量的間隙原子的熱能會形成一個熱峰，引起材料的局部融化，使非晶合金的結(jié)晶和結(jié)晶的結(jié)晶相組織發(fā)生變化，從而影響到非晶合金的物理、化學和機械性能。

5 離子輻照對非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的影響

非晶合金在高溫下會產(chǎn)生較大的變形，而且由于其本身的特性，其結(jié)構(gòu)也會隨之改變。一般認為，當離子被注入基質(zhì)時，固溶體的結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。但實踐證明，與傳統(tǒng)方法相比，由于離子的表面功能基團更強，界面能（例如非晶）更大，形成了高熔點的合金層，并且在某種程度上提高了材料的導熱系數(shù)，這都會引起其顯著的變形；同時，在離子注入基質(zhì)中，由于其表面官能團的存在，可以使非晶合金中的原子排列更加緊湊，結(jié)構(gòu)更加致密。在負壓作用下，非結(jié)晶粒子和基質(zhì)中的固體溶液發(fā)生了交互作用。而這股力量，也可以通過改變其外形來達到。一般在溫度超過零度或低于臨界點時，反應就會發(fā)生；然而此時，由于離子被注入物質(zhì)，其內(nèi)部的原子會緊密地排列在一起，而外界的離子則不能滲透到基底，從而導致了非晶合金材料的固溶。而在負壓作用下，非晶合金中的原子會被壓縮，并產(chǎn)生形變。這個現(xiàn)象也可以通過在物質(zhì)中注入離子的時間來進行[6]。

此外，在離子照射下，非晶態(tài)合金的表面形貌也會發(fā)生變化。當離子束增大時，粘滯的流動會導致Zr65A l7.5Cu27.5 膜的表面粗糙程度逐漸降低，而Fe40Ni38 Mo8B14 非晶膜的粗糙程度隨離子束的增加而增加。結(jié)果表明：非晶合金的表面粗糙程度不僅取決于入射光的能量，而且還取決于入射光和非晶態(tài)合金的角度。離子輻照在非晶鍺上形成了大量的空穴，這些空穴是由離子體中心迅速加熱、膨脹所引起的外向振蕩波所致，而空穴的大小與Ge 固液相間的密度差異有關。離子輻照確實可以使非晶合金的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使其結(jié)構(gòu)從無序向有序轉(zhuǎn)變，即晶化，也有可能使無序結(jié)構(gòu)變得更加無序，從而增加結(jié)構(gòu)缺陷，如自由體積。可見，非晶態(tài)的形態(tài)改變與輻照離子能量、輻照劑量和化學成分有關。但是，對于無序-有序轉(zhuǎn)換的成因，至今尚無統(tǒng)一的認識[7]。

6 結(jié)語

在非晶態(tài)合金中，放射性損傷是由于核能損失導致的結(jié)構(gòu)和輻射破壞；由于離子輻射會產(chǎn)生大量的自由體積等結(jié)構(gòu)缺陷，從而使原子的運動特性發(fā)生變化，進而使非晶態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生無序和結(jié)晶。非晶態(tài)材料的自由體積增大，使其塑性變形模式由不均勻向均勻方向發(fā)展，從而使其塑性變形性能得到改善。與晶態(tài)合金比較，無位錯環(huán)和層錯等結(jié)構(gòu)缺陷，具有很好的抗輻射能力。雖然從理論和實驗兩方面都有了一些新的突破，但由于非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)、力學性能以及其他物理、化學性能等方面的變化，目前尚無統(tǒng)一的理論來解釋。非晶合金在核反應堆、航天等強輻射環(huán)境中的實際應用還需要進一步的研究。