Fe基非晶合金及其涂層：從微觀結(jié)構(gòu)解析熱傳導(dǎo)性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)領(lǐng)域，非晶合金以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，成為了研究的熱點(diǎn)之一。非晶合金，又被稱(chēng)為金屬玻璃，與傳統(tǒng)的晶態(tài)合金不同，其原子排列呈現(xiàn)出長(zhǎng)程無(wú)序而短程有序的狀態(tài)，這種特殊的原子排列方式賦予了非晶合金許多優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐腐蝕性、軟磁性能以及獨(dú)特的電學(xué)和熱學(xué)性能等。在眾多非晶合金體系中，F(xiàn)e基非晶合金由于其原材料豐富、成本相對(duì)較低，以及具備良好的綜合性能，在電子、電力、機(jī)械、航空航天等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。Fe基非晶合金的優(yōu)異性能與其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。其原子的無(wú)序排列使其不存在晶界、位錯(cuò)等晶體缺陷，從而有效地避免了這些缺陷對(duì)材料性能的負(fù)面影響，進(jìn)而提高了材料的強(qiáng)度和硬度。同時(shí)，F(xiàn)e基非晶合金中的原子間鍵合方式和電子結(jié)構(gòu)也對(duì)其性能產(chǎn)生了重要影響。例如，其特殊的電子結(jié)構(gòu)使得Fe基非晶合金具有良好的軟磁性能，使其在變壓器鐵芯、傳感器等電子器件中得到了廣泛應(yīng)用。然而，F(xiàn)e基非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)并非一成不變，在制備過(guò)程中，不同的制備工藝和參數(shù)會(huì)導(dǎo)致其微觀結(jié)構(gòu)的差異，進(jìn)而影響其性能。在后續(xù)的使用過(guò)程中，外界環(huán)境因素如溫度、應(yīng)力等也會(huì)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，使其發(fā)生變化，最終導(dǎo)致性能的改變。因此，深入研究Fe基非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)及其形成和演化機(jī)制，對(duì)于理解其性能的本質(zhì)、優(yōu)化制備工藝以及拓展應(yīng)用領(lǐng)域都具有至關(guān)重要的意義。熱傳導(dǎo)性能作為Fe基非晶合金的重要性能之一，對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)有著關(guān)鍵影響。在電子設(shè)備中，隨著芯片集成度的不斷提高和功率密度的不斷增大，散熱問(wèn)題日益突出。Fe基非晶合金若具有良好的熱傳導(dǎo)性能，就能夠有效地將熱量傳遞出去，從而保證電子設(shè)備的正常運(yùn)行，提高其穩(wěn)定性和可靠性。在能源領(lǐng)域，熱傳導(dǎo)性能也對(duì)能量的轉(zhuǎn)換和利用效率有著重要影響。例如，在熱交換器等設(shè)備中，熱傳導(dǎo)性能好的材料可以提高熱量的傳遞效率，從而提高能源的利用效率。然而，F(xiàn)e基非晶合金的熱傳導(dǎo)性能受到其微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、制備工藝等多種因素的綜合影響。目前，對(duì)于這些因素如何影響Fe基非晶合金的熱傳導(dǎo)性能，以及它們之間的內(nèi)在關(guān)系，尚未完全明確。因此，系統(tǒng)地研究Fe基非晶合金的熱傳導(dǎo)性能及其影響因素，對(duì)于開(kāi)發(fā)具有高性能熱傳導(dǎo)特性的Fe基非晶合金材料，以及推動(dòng)其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為了進(jìn)一步拓展Fe基非晶合金的應(yīng)用范圍，常常需要在各種基體表面制備Fe基非晶合金涂層。Fe基非晶合金涂層不僅能夠充分發(fā)揮Fe基非晶合金的優(yōu)異性能，還能夠有效地保護(hù)基體材料，提高其耐磨性、耐腐蝕性和抗氧化性等。在航空航天領(lǐng)域，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片等部件在高溫、高壓和強(qiáng)腐蝕的環(huán)境下工作，通過(guò)在其表面制備Fe基非晶合金涂層，可以顯著提高葉片的使用壽命和可靠性。在石油化工領(lǐng)域，管道和設(shè)備常常受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕，F(xiàn)e基非晶合金涂層可以有效地防止腐蝕，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。Fe基非晶合金涂層的性能同樣與其微觀結(jié)構(gòu)和熱傳導(dǎo)性能密切相關(guān)。涂層的微觀結(jié)構(gòu)決定了其與基體的結(jié)合強(qiáng)度、涂層的致密性以及內(nèi)部應(yīng)力分布等，這些因素都會(huì)直接影響涂層的使用性能。而涂層的熱傳導(dǎo)性能則在涉及熱傳遞的應(yīng)用場(chǎng)景中起著關(guān)鍵作用，如在高溫環(huán)境下工作的涂層，良好的熱傳導(dǎo)性能可以保證熱量的均勻傳遞，避免局部過(guò)熱導(dǎo)致的涂層失效。因此，研究Fe基非晶合金涂層的微結(jié)構(gòu)與熱傳導(dǎo)性能，對(duì)于優(yōu)化涂層的設(shè)計(jì)和制備工藝，提高涂層的性能和質(zhì)量，具有重要的理論和實(shí)際價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀Fe基非晶合金的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代，Klement等人首次采用液態(tài)急冷技術(shù)制備出Au-Si非晶合金，開(kāi)創(chuàng)了非晶合金研究的先河。隨后，F(xiàn)e基非晶合金因其潛在的應(yīng)用價(jià)值，逐漸成為非晶合金領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在微觀結(jié)構(gòu)研究方面，早期的研究主要集中在利用X射線衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）等實(shí)驗(yàn)手段對(duì)Fe基非晶合金的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。通過(guò)XRD分析，可以得到Fe基非晶合金的衍射圖譜，其特征為寬化的漫散射峰，反映了原子排列的長(zhǎng)程無(wú)序性。Temuujin等人利用XRD和TEM研究了Fe78Si9B13非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其原子排列呈現(xiàn)出短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序的特征，并且存在著一些納米級(jí)別的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。隨著研究的深入，人們開(kāi)始關(guān)注Fe基非晶合金中原子的配位情況、短程有序結(jié)構(gòu)的類(lèi)型和尺寸分布等細(xì)節(jié)信息。采用擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)Fe基非晶合金的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更深入的研究。Zhao等人通過(guò)EXAFS技術(shù)研究了Fe基非晶合金中Fe原子的配位環(huán)境，發(fā)現(xiàn)Fe原子周?chē)呐湮辉臃N類(lèi)和數(shù)量對(duì)合金的性能有著重要影響。在熱傳導(dǎo)性能研究方面，早期的研究主要是測(cè)量Fe基非晶合金的熱導(dǎo)率，并探討其與成分、溫度等因素的關(guān)系。Chen等人測(cè)量了不同成分的Fe基非晶合金在不同溫度下的熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而降低，并且與合金中的類(lèi)金屬元素含量有關(guān)。隨著對(duì)熱傳導(dǎo)機(jī)制的深入理解，人們開(kāi)始從微觀結(jié)構(gòu)的角度研究Fe基非晶合金的熱傳導(dǎo)性能。非晶合金的熱傳導(dǎo)主要是通過(guò)聲子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而原子的無(wú)序排列會(huì)導(dǎo)致聲子的散射增強(qiáng)，從而降低熱導(dǎo)率。研究人員通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法，研究了聲子在Fe基非晶合金中的傳播和散射過(guò)程，以及微觀結(jié)構(gòu)對(duì)聲子散射的影響。Li等人利用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了Fe基非晶合金中原子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和化學(xué)短程序?qū)β曌由⑸涞挠绊?，發(fā)現(xiàn)化學(xué)短程序的存在會(huì)增加聲子的散射，從而降低熱導(dǎo)率。對(duì)于Fe基非晶合金涂層的研究，近年來(lái)也取得了不少進(jìn)展。在制備工藝方面，目前常用的制備Fe基非晶合金涂層的方法有激光熔覆、熱噴涂、電鍍等。激光熔覆具有加熱速度快、冷卻速度快、稀釋率低等優(yōu)點(diǎn)，可以在基體表面制備出致密、均勻的Fe基非晶合金涂層。Zhang等人采用激光熔覆技術(shù)在45鋼表面制備了Fe基非晶合金涂層，研究了激光工藝參數(shù)對(duì)涂層組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)合適的激光功率和掃描速度可以獲得高質(zhì)量的非晶涂層。熱噴涂技術(shù)則具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合大規(guī)模制備Fe基非晶合金涂層。Wang等人采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備了Fe基非晶合金涂層，研究了涂層的組織結(jié)構(gòu)和性能，發(fā)現(xiàn)涂層具有良好的耐磨性和耐腐蝕性。在涂層的微觀結(jié)構(gòu)和性能研究方面，研究人員主要關(guān)注涂層的非晶相含量、晶化行為、與基體的結(jié)合強(qiáng)度以及涂層的力學(xué)性能、耐腐蝕性等。Liu等人研究了激光熔覆Fe基非晶合金涂層的晶化行為，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，涂層中的非晶相逐漸向晶相轉(zhuǎn)變，晶化過(guò)程會(huì)導(dǎo)致涂層的硬度和耐磨性發(fā)生變化。在涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度方面，通過(guò)優(yōu)化制備工藝和添加過(guò)渡層等方法，可以提高涂層與基體的結(jié)合力，從而提高涂層的使用壽命。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在Fe基非晶合金及其涂層的微結(jié)構(gòu)與熱傳導(dǎo)性能研究方面已經(jīng)取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。對(duì)于Fe基非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)，雖然已經(jīng)對(duì)其原子排列、短程有序結(jié)構(gòu)等有了一定的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于一些復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)特征，如納米團(tuán)簇的形成機(jī)制、化學(xué)短程序與物理性能之間的定量關(guān)系等，還需要進(jìn)一步深入研究。在熱傳導(dǎo)性能方面，雖然已經(jīng)對(duì)聲子散射機(jī)制有了一定的理解，但由于Fe基非晶合金的成分和微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱傳導(dǎo)性能的影響因素眾多，目前還難以建立準(zhǔn)確的熱傳導(dǎo)模型來(lái)預(yù)測(cè)其熱導(dǎo)率。對(duì)于Fe基非晶合金涂層，雖然在制備工藝和性能研究方面取得了進(jìn)展，但涂層的質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性仍有待提高，涂層與基體的界面結(jié)合機(jī)制以及涂層在復(fù)雜環(huán)境下的長(zhǎng)期服役性能等方面的研究還相對(duì)較少。本文旨在針對(duì)上述不足，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法，深入研究Fe基非晶合金及其涂層的微結(jié)構(gòu)與熱傳導(dǎo)性能。采用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和表征手段，對(duì)Fe基非晶合金及其涂層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的分析，揭示其微觀結(jié)構(gòu)特征與形成機(jī)制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算，系統(tǒng)地研究Fe基非晶合金及其涂層的熱傳導(dǎo)性能，分析成分、微觀結(jié)構(gòu)等因素對(duì)熱傳導(dǎo)性能的影響規(guī)律，建立熱傳導(dǎo)性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為Fe基非晶合金及其涂層的性能優(yōu)化和應(yīng)用提供理論依據(jù)。二、Fe基非晶合金的微結(jié)構(gòu)2.1液態(tài)微觀結(jié)構(gòu)2.1.1原子排列特征Fe基非晶合金在液態(tài)時(shí)，其原子排列呈現(xiàn)出與晶態(tài)截然不同的特征。此時(shí)，F(xiàn)e原子間的相互作用主要包括金屬鍵和磁性相互作用，這兩種相互作用共同決定了原子的排列方式。金屬鍵是金屬原子之間通過(guò)自由電子形成的一種強(qiáng)烈的相互作用，它使得原子傾向于緊密堆積，以降低體系的能量。在Fe基非晶合金中，由于多種元素的存在，原子的大小和電負(fù)性存在差異，這使得原子的堆積方式變得更為復(fù)雜。不同原子之間的相互作用導(dǎo)致了局部區(qū)域的原子排列呈現(xiàn)出短程有序的特征。研究表明，在Fe基非晶合金的液態(tài)結(jié)構(gòu)中，存在著由Fe原子和其他合金元素原子組成的原子團(tuán)簇。這些團(tuán)簇內(nèi)部的原子通過(guò)金屬鍵相互連接，形成了相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。例如，在Fe-Si-B系非晶合金中，可能存在著以Fe原子為中心，周?chē)h(huán)繞著Si和B原子的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。這些團(tuán)簇的尺寸通常在幾個(gè)納米到十幾個(gè)納米之間，它們?cè)谝簯B(tài)中不斷地形成、解體和重組，處于一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。除了金屬鍵的作用外，F(xiàn)e原子的磁性相互作用對(duì)液態(tài)微觀結(jié)構(gòu)也有著重要影響。Fe是一種具有強(qiáng)磁性的元素，其原子具有固有磁矩。在液態(tài)中，F(xiàn)e原子的磁矩之間會(huì)發(fā)生相互作用，這種相互作用使得Fe原子的排列不僅僅取決于原子間的幾何堆積，還受到磁矩取向的影響。當(dāng)Fe原子的磁矩相互平行排列時(shí)，體系的磁能較低，因此在一定程度上會(huì)促使Fe原子在局部區(qū)域形成磁矩有序的結(jié)構(gòu)。這種磁矩有序的區(qū)域與周?chē)拥呐帕邢嗷ソ豢?，進(jìn)一步增加了液態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。磁性相互作用還會(huì)影響原子團(tuán)簇的形成和穩(wěn)定性。具有相同磁矩取向的Fe原子更容易聚集在一起，形成相對(duì)穩(wěn)定的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，而不同磁矩取向的原子之間的相互作用則可能導(dǎo)致團(tuán)簇的解體或重組?？偟膩?lái)說(shuō)，F(xiàn)e基非晶合金液態(tài)下的原子排列是一種復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)，既存在著由金屬鍵主導(dǎo)的短程有序結(jié)構(gòu)，又受到磁性相互作用的影響，使得原子排列在局部區(qū)域呈現(xiàn)出磁矩有序的特征。這種獨(dú)特的液態(tài)微觀結(jié)構(gòu)對(duì)Fe基非晶合金的凝固過(guò)程和固態(tài)性能有著重要的影響。2.1.2影響因素探討Fe基非晶合金液態(tài)微觀結(jié)構(gòu)受到多種因素的影響，其中溫度和成分是兩個(gè)最為關(guān)鍵的因素。溫度對(duì)Fe基非晶合金液態(tài)微觀結(jié)構(gòu)的影響十分顯著。隨著溫度的升高，原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子間的距離增大，相互作用減弱。在高溫下，液態(tài)中的原子團(tuán)簇更容易解體，原子的排列更加無(wú)序，短程有序結(jié)構(gòu)的尺寸和穩(wěn)定性都會(huì)降低。研究表明，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，F(xiàn)e基非晶合金液態(tài)中的原子團(tuán)簇會(huì)逐漸消失，原子排列趨近于理想的液態(tài)無(wú)序狀態(tài)。在對(duì)Fe-B-Si非晶合金的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度從液相線溫度逐漸升高時(shí)，液態(tài)中由Fe、B、Si原子組成的團(tuán)簇尺寸逐漸減小，團(tuán)簇的穩(wěn)定性也隨之降低，原子的擴(kuò)散系數(shù)增大，表明原子的活動(dòng)性增強(qiáng)，液態(tài)結(jié)構(gòu)更加無(wú)序。相反，當(dāng)溫度降低時(shí)，原子的熱運(yùn)動(dòng)減弱，原子間的相互作用增強(qiáng)，原子開(kāi)始逐漸聚集形成短程有序結(jié)構(gòu)。在接近凝固溫度時(shí)，原子的擴(kuò)散速率降低，液態(tài)中的原子團(tuán)簇逐漸穩(wěn)定下來(lái)，并且可能會(huì)發(fā)生聚集和長(zhǎng)大，為后續(xù)的凝固過(guò)程奠定基礎(chǔ)。溫度的變化還會(huì)影響Fe原子的磁性相互作用。隨著溫度的降低，F(xiàn)e原子的磁矩有序度可能會(huì)增加，這會(huì)進(jìn)一步影響原子的排列方式，使得液態(tài)微觀結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。成分是另一個(gè)對(duì)Fe基非晶合金液態(tài)微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響的因素。合金中不同元素的種類(lèi)、含量以及原子半徑、電負(fù)性等性質(zhì)都會(huì)改變?cè)娱g的相互作用，從而影響液態(tài)微觀結(jié)構(gòu)。不同元素的原子半徑差異會(huì)導(dǎo)致原子在堆積時(shí)形成不同的結(jié)構(gòu)。當(dāng)合金中存在較大原子和較小原子時(shí)，較小原子可能會(huì)填充在較大原子形成的空隙中，形成更為緊密的堆積結(jié)構(gòu)。在Fe-Zr-B非晶合金中，Zr原子半徑較大，F(xiàn)e和B原子半徑相對(duì)較小，Zr原子形成骨架結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e和B原子填充其中，形成了獨(dú)特的短程有序結(jié)構(gòu)。元素的電負(fù)性差異也會(huì)影響原子間的化學(xué)鍵合方式和相互作用強(qiáng)度。電負(fù)性差異較大的元素之間傾向于形成離子鍵或極性共價(jià)鍵，這種化學(xué)鍵的存在會(huì)改變?cè)拥呐帕蟹绞胶蛨F(tuán)簇的穩(wěn)定性。在Fe基非晶合金中添加電負(fù)性較大的元素（如Si、P等），會(huì)與Fe原子形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵，從而影響原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和液態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)。合金成分的變化還會(huì)影響Fe原子的磁性環(huán)境，進(jìn)而影響磁性相互作用。添加一些磁性元素（如Co、Ni等）或非磁性元素（如Al、Si等），會(huì)改變Fe原子的磁矩大小和磁相互作用強(qiáng)度，導(dǎo)致液態(tài)中磁矩有序區(qū)域的變化，最終影響液態(tài)微觀結(jié)構(gòu)。2.2固態(tài)微觀結(jié)構(gòu)2.2.1短程有序與長(zhǎng)程無(wú)序當(dāng)Fe基非晶合金從液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，其原子排列的長(zhǎng)程無(wú)序特征得以保留，同時(shí)短程有序結(jié)構(gòu)也進(jìn)一步穩(wěn)定下來(lái)。在固態(tài)Fe基非晶合金中，短程有序結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為原子團(tuán)簇的形式，這些團(tuán)簇通常由幾個(gè)到幾十個(gè)原子組成，團(tuán)簇內(nèi)原子之間通過(guò)金屬鍵相互作用，形成相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)單元。在Fe-B-Si系非晶合金的固態(tài)結(jié)構(gòu)中，存在著以Fe原子為中心，周?chē)h(huán)繞著B(niǎo)和Si原子的團(tuán)簇。這些團(tuán)簇的尺寸一般在1-3納米之間，團(tuán)簇內(nèi)原子的配位情況和鍵長(zhǎng)、鍵角具有一定的規(guī)律性，體現(xiàn)了短程有序的特征。不同團(tuán)簇之間的排列則是無(wú)序的，不存在周期性的晶格結(jié)構(gòu)，這使得Fe基非晶合金在宏觀上呈現(xiàn)出長(zhǎng)程無(wú)序的狀態(tài)。Fe原子的磁矩在固態(tài)非晶合金中也起著重要作用，它們之間的相互作用形成了一種特殊的磁性結(jié)構(gòu)。由于原子排列的無(wú)序性，F(xiàn)e原子的磁矩方向在局部區(qū)域呈現(xiàn)出一定的隨機(jī)性，但在一定范圍內(nèi)又存在著相互關(guān)聯(lián)，使得磁矩的分布既不是完全無(wú)序，也不是像晶體那樣具有規(guī)則的排列。這種特殊的磁性結(jié)構(gòu)使得Fe基非晶合金具有優(yōu)異的軟磁性能，如低矯頑力、高磁導(dǎo)率等。研究表明，在Fe基非晶合金中，磁矩的取向與原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和分布密切相關(guān)。一些原子團(tuán)簇可能會(huì)形成具有相同磁矩取向的區(qū)域，這些區(qū)域之間通過(guò)磁相互作用相互影響，共同決定了合金的磁性。當(dāng)外界施加磁場(chǎng)時(shí)，這些磁矩會(huì)在外磁場(chǎng)的作用下發(fā)生取向變化，從而表現(xiàn)出良好的軟磁響應(yīng)特性。2.2.2微觀結(jié)構(gòu)的表征方法為了深入研究Fe基非晶合金的固態(tài)微觀結(jié)構(gòu)，需要采用多種實(shí)驗(yàn)表征方法。X射線衍射（XRD）是一種常用的結(jié)構(gòu)分析方法，它利用X射線與晶體中原子的相互作用，通過(guò)測(cè)量衍射花樣來(lái)確定晶體的結(jié)構(gòu)信息。對(duì)于Fe基非晶合金，由于其原子排列的長(zhǎng)程無(wú)序性，XRD圖譜呈現(xiàn)出寬化的漫散射峰，沒(méi)有明顯的晶體衍射峰。通過(guò)對(duì)漫散射峰的分析，可以獲得關(guān)于原子間距離、短程有序結(jié)構(gòu)的信息。通過(guò)對(duì)XRD圖譜中漫散射峰的位置和強(qiáng)度進(jìn)行分析，可以計(jì)算出Fe基非晶合金中原子的平均配位數(shù)和原子間距離，從而了解短程有序結(jié)構(gòu)的特征。透射電子顯微鏡（Temuujin等人，2015）也是研究Fe基非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的重要工具。它可以直接觀察到合金的微觀形貌和原子排列情況。在Temuujin等人的研究中，通過(guò)Temuujin等人，2015觀察Fe78Si9B13非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了納米級(jí)別的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，并對(duì)團(tuán)簇的尺寸、形狀和分布進(jìn)行了詳細(xì)分析。高分辨透射電子顯微鏡（HRTemuujin等人，2015）還可以提供原子尺度的結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)觀察原子的排列圖像，可以更直觀地了解短程有序結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。掃描電子顯微鏡（SEM）主要用于觀察材料的表面形貌和斷口特征。在研究Fe基非晶合金時(shí)，SEM可以幫助我們了解合金的表面微觀結(jié)構(gòu)、缺陷情況以及不同相之間的分布關(guān)系。通過(guò)對(duì)Fe基非晶合金的斷口進(jìn)行SEM觀察，可以分析斷口的形貌特征，如韌窩、解理面等，從而推斷合金的斷裂機(jī)制和力學(xué)性能。擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）技術(shù)則可以提供關(guān)于原子周?chē)湮画h(huán)境的詳細(xì)信息。通過(guò)測(cè)量X射線吸收邊附近的精細(xì)結(jié)構(gòu)，可以確定原子的配位原子種類(lèi)、數(shù)量以及原子間距離等參數(shù)，這對(duì)于深入理解Fe基非晶合金中原子的短程有序結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵合情況具有重要意義。Zhao等人通過(guò)EXAFS技術(shù)研究了Fe基非晶合金中Fe原子的配位環(huán)境，發(fā)現(xiàn)Fe原子周?chē)呐湮辉臃N類(lèi)和數(shù)量對(duì)合金的性能有著重要影響。三、Fe基非晶合金涂層的微結(jié)構(gòu)3.1涂層制備工藝對(duì)微結(jié)構(gòu)的影響3.1.1大氣等離子噴涂大氣等離子噴涂（APS）是制備Fe基非晶合金涂層的常用方法之一。在大氣等離子噴涂過(guò)程中，將Fe基非晶合金粉末送入高溫等離子射流中，粉末迅速被加熱熔化或半熔化，隨后高速撞擊基體表面并扁平化，層層堆積形成涂層。這一過(guò)程中，工藝參數(shù)如等離子噴涂電流、電壓、噴涂距離、送粉速率等對(duì)涂層的微結(jié)構(gòu)有著顯著影響。等離子噴涂電流和電壓直接決定了等離子射流的能量和溫度。當(dāng)電流和電壓增加時(shí)，等離子射流的溫度升高，粉末顆粒能夠獲得更高的熱量，從而更充分地熔化。這使得涂層中熔化的顆粒增多，涂層的致密性提高。但是，過(guò)高的溫度也可能導(dǎo)致粉末顆粒過(guò)度熔化，甚至發(fā)生蒸發(fā)，使得涂層中的元素?zé)龘p，從而改變涂層的化學(xué)成分和相組成。研究表明，在一定范圍內(nèi)增加等離子噴涂電流，涂層的非晶含量會(huì)先增加后減少。當(dāng)電流較低時(shí)，粉末熔化不充分，涂層中存在較多的未熔化顆粒，這些顆粒會(huì)成為晶化的核心，降低涂層的非晶含量；而當(dāng)電流過(guò)高時(shí)，元素?zé)龘p嚴(yán)重，也不利于非晶相的形成。噴涂距離是指噴槍噴嘴到基體表面的距離，它對(duì)粉末顆粒的飛行速度和溫度有著重要影響。合適的噴涂距離能夠保證粉末顆粒在到達(dá)基體表面時(shí)具有適當(dāng)?shù)臏囟群退俣取Ｈ绻麌娡烤嚯x過(guò)短，粉末顆粒在等離子射流中停留的時(shí)間較短，未能充分熔化，會(huì)導(dǎo)致涂層中存在較多的孔隙和未熔化顆粒，降低涂層的質(zhì)量；而如果噴涂距離過(guò)長(zhǎng)，粉末顆粒在飛行過(guò)程中會(huì)與周?chē)諝獍l(fā)生較多的熱交換，溫度降低，可能會(huì)在到達(dá)基體表面之前就已經(jīng)凝固，同樣會(huì)影響涂層的致密性和結(jié)合強(qiáng)度。葉福興等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在等離子噴涂電流為550A、噴涂電壓為55V時(shí)，噴涂距離為110mm時(shí)所制備的涂層孔隙率為1.19％，顯微硬度為717HV0.1，具有較好的綜合性能。送粉速率也會(huì)影響涂層的微結(jié)構(gòu)。送粉速率過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致涂層沉積效率低，涂層厚度不均勻；而送粉速率過(guò)高，粉末顆粒在等離子射流中不能充分熔化，會(huì)使涂層中未熔化顆粒增多，孔隙率增大。因此，需要根據(jù)具體的工藝條件，選擇合適的送粉速率，以獲得質(zhì)量良好的Fe基非晶合金涂層。3.1.2超音速火焰噴涂超音速火焰噴涂（HVOF）是另一種制備Fe基非晶合金涂層的重要方法，其具有高速和相對(duì)較低溫度的特點(diǎn)，這使得該工藝在制備Fe基非晶合金涂層時(shí)展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和涂層結(jié)構(gòu)特征。在超音速火焰噴涂過(guò)程中，燃燒氣體（如乙炔、丙烷等）與氧氣在燃燒室中混合燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)饬?。Fe基非晶合金粉末通過(guò)送粉器送入燃?xì)饬髦?，在高速燃?xì)獾膸?dòng)下，粉末顆粒被加速到超音速，并被加熱至熔化或半熔化狀態(tài)。隨后，這些高速飛行的顆粒撞擊基體表面，發(fā)生塑性變形并扁平化，逐層堆積形成涂層。與其他噴涂方法相比，HVOF制備的Fe基非晶合金涂層具有一些顯著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。涂層具有較高的致密度。由于粉末顆粒在高速撞擊基體表面時(shí)具有較大的動(dòng)能，能夠充分變形并緊密堆積，使得涂層的孔隙率較低。相關(guān)研究表明，HVOF制備的Fe基非晶合金涂層孔隙率可低至2%左右，這使得涂層具有良好的耐磨性和耐腐蝕性。涂層中的非晶含量較高。相對(duì)較低的火焰溫度可以減少粉末顆粒在噴涂過(guò)程中的晶化程度，有利于保持非晶相的穩(wěn)定性，從而獲得高非晶含量的涂層。周正等人利用HVOF技術(shù)在1Cr18Ni9Ti不銹鋼基體上制備的Fe基非晶合金涂層具有較高的非晶含量。HVOF制備的Fe基非晶合金涂層的形成機(jī)制主要與粉末顆粒的加熱、加速和撞擊過(guò)程密切相關(guān)。在加熱階段，粉末顆粒在高溫燃?xì)饬髦醒杆傥諢崃浚瑴囟壬?。由于燃?xì)饬鞯乃俣葮O高，粉末顆粒在短時(shí)間內(nèi)被加熱，這使得粉末內(nèi)部的原子來(lái)不及進(jìn)行長(zhǎng)程擴(kuò)散和有序排列，從而有利于保持非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。在加速階段，高速燃?xì)赓x予粉末顆粒極高的速度，使其具有較大的動(dòng)能。當(dāng)這些高速顆粒撞擊基體表面時(shí)，巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能和塑性變形能，使得顆粒在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生塑性變形并扁平化。這種快速的變形和冷卻過(guò)程進(jìn)一步抑制了晶化的發(fā)生，促進(jìn)了非晶涂層的形成。涂層的微觀結(jié)構(gòu)還受到多種工藝參數(shù)的影響。燃料與氧氣的比例會(huì)影響火焰的溫度和速度，進(jìn)而影響粉末顆粒的加熱和加速效果。合適的燃料與氧氣比例能夠提供最佳的火焰條件，使粉末顆粒達(dá)到理想的熔化和加速狀態(tài)，從而獲得高質(zhì)量的涂層。噴涂距離和送粉速率也對(duì)涂層結(jié)構(gòu)有重要影響。噴涂距離過(guò)短，可能導(dǎo)致涂層過(guò)熱和氧化；噴涂距離過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)使粉末顆粒的速度和溫度降低，影響涂層的質(zhì)量。送粉速率過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致涂層厚度不均勻、孔隙率增加等問(wèn)題。因此，在HVOF制備Fe基非晶合金涂層時(shí)，需要精確控制各種工藝參數(shù)，以獲得具有理想微觀結(jié)構(gòu)和性能的涂層。3.1.3激光熔覆激光熔覆是一種利用高能激光束將合金粉末與基體表面快速熔化并凝固，從而在基體表面形成冶金結(jié)合涂層的技術(shù)。在制備Fe基非晶復(fù)合涂層時(shí)，激光熔覆具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速加熱和冷卻，有利于非晶相的形成。但該過(guò)程中，激光掃描速度、激光功率、送粉速率等工藝參數(shù)對(duì)涂層的組織結(jié)構(gòu)有著顯著影響。激光掃描速度是影響涂層組織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)激光掃描速度較低時(shí)，激光作用于涂層的時(shí)間較長(zhǎng)，涂層吸收的能量較多，熔池的溫度較高且存在時(shí)間較長(zhǎng)。這使得原子有足夠的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和遷移，容易導(dǎo)致晶化現(xiàn)象的發(fā)生，涂層中的非晶相含量相對(duì)較低。同時(shí)，較低的掃描速度還可能使熔池中的液態(tài)金屬在重力和表面張力的作用下發(fā)生流動(dòng)和混合，導(dǎo)致涂層組織不均勻，可能出現(xiàn)粗大的晶粒和樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)。魯青龍等人研究了激光熔覆制備Fe-Cr-Si-P非晶復(fù)合涂層時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率為3.6kW，掃描速度低于500mm/min時(shí)，隨著掃描速度的增加，結(jié)合區(qū)樹(shù)枝晶的外延生長(zhǎng)速度得到有效抑制，涂層中非晶相的含量增加。當(dāng)掃描速度為400mm/min時(shí)，熔覆層中非晶含量最多，約占整個(gè)涂層的47.3％，此時(shí)涂層的顯微硬度、耐蝕以及耐磨性能也相應(yīng)增強(qiáng)。相反，當(dāng)激光掃描速度過(guò)高時(shí)，激光作用時(shí)間過(guò)短，粉末可能無(wú)法充分熔化，導(dǎo)致涂層中存在較多的未熔顆粒，這些未熔顆粒會(huì)降低涂層的致密度和結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)也可能成為涂層中的缺陷源，影響涂層的性能。合適的激光掃描速度能夠在保證粉末充分熔化的前提下，實(shí)現(xiàn)快速冷卻，抑制晶化過(guò)程，從而獲得高非晶含量且組織均勻的涂層。激光功率同樣對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)有重要影響。較高的激光功率能夠提供更多的能量，使粉末迅速熔化，并使熔池具有較高的溫度。這有助于提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，但過(guò)高的激光功率會(huì)導(dǎo)致熔池過(guò)熱，增加晶化的傾向，同時(shí)也可能使涂層中的元素發(fā)生燒損，改變涂層的化學(xué)成分和性能。較低的激光功率則可能導(dǎo)致粉末熔化不充分，涂層質(zhì)量下降。因此，需要根據(jù)具體的合金成分和涂層要求，合理選擇激光功率，以獲得理想的涂層組織結(jié)構(gòu)和性能。送粉速率也會(huì)對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。送粉速率過(guò)低，涂層的沉積效率低，難以獲得足夠厚度的涂層；送粉速率過(guò)高，粉末在熔池中堆積過(guò)多，可能導(dǎo)致粉末熔化不完全，使涂層中出現(xiàn)孔隙、夾雜等缺陷，影響涂層的質(zhì)量和性能。在激光熔覆制備Fe基非晶復(fù)合涂層時(shí)，需要綜合考慮各種工藝參數(shù)的相互作用，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)獲得組織結(jié)構(gòu)優(yōu)良、性能優(yōu)異的涂層。3.2涂層微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與分析3.2.1層狀結(jié)構(gòu)與孔隙特征Fe基非晶合金涂層呈現(xiàn)出典型的層狀組織結(jié)構(gòu)，這是由其制備工藝決定的。在大氣等離子噴涂、超音速火焰噴涂以及激光熔覆等制備過(guò)程中，熔化或半熔化的粉末顆粒逐次撞擊基體表面并扁平化，層層堆積形成涂層。在大氣等離子噴涂制備的Fe基非晶合金涂層中，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察可以清晰地看到明顯的層狀結(jié)構(gòu)。這些層狀結(jié)構(gòu)是由扁平的粒子相互堆疊而成，每層粒子的厚度和形狀受到噴涂過(guò)程中粉末顆粒的熔化狀態(tài)、飛行速度以及撞擊角度等因素的影響。涂層中還存在一定數(shù)量的孔隙，這些孔隙的形成原因較為復(fù)雜。一方面，粉末顆粒在熔化和飛行過(guò)程中，可能會(huì)包裹一些氣體，當(dāng)這些顆粒沉積到涂層中時(shí)，氣體無(wú)法完全逸出，從而形成孔隙；另一方面，噴涂過(guò)程中的工藝參數(shù)如噴涂距離、送粉速率等不合適，可能導(dǎo)致粉末顆粒之間的結(jié)合不緊密，也會(huì)產(chǎn)生孔隙。孔隙率對(duì)涂層性能有著顯著的影響。涂層中的孔隙會(huì)降低涂層的致密性，從而影響涂層的力學(xué)性能和耐腐蝕性能?？紫兜拇嬖跁?huì)削弱涂層的承載能力，在受到外力作用時(shí)，孔隙周?chē)菀桩a(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致涂層過(guò)早發(fā)生破壞，降低涂層的耐磨性和強(qiáng)度。孔隙還會(huì)為腐蝕介質(zhì)提供通道，加速涂層的腐蝕過(guò)程，降低涂層的耐腐蝕性能。研究表明，當(dāng)Fe基非晶合金涂層的孔隙率從1%增加到5%時(shí)，其在3.5%NaCl溶液中的腐蝕電流密度會(huì)顯著增大，耐腐蝕性能明顯下降。3.2.2晶相組織與非晶相比例Fe基非晶合金涂層中通常存在晶相組織和非晶相，它們的存在形式和比例對(duì)涂層性能有著重要作用。在一些激光熔覆制備的Fe基非晶復(fù)合涂層中，通過(guò)X射線衍射（XRD）分析可以發(fā)現(xiàn)，涂層中除了非晶相的寬化漫散射峰外，還存在一些尖銳的晶體衍射峰，表明涂層中存在晶相組織。這些晶相可能是在熔覆過(guò)程中，由于冷卻速度不夠快或局部過(guò)熱等原因，導(dǎo)致部分非晶相發(fā)生晶化而形成的。晶相的種類(lèi)和含量與合金成分、制備工藝密切相關(guān)。在Fe-Cr-Si-P非晶復(fù)合涂層中，晶相可能包括Fe3P、Fe2Si等金屬間化合物相，它們的存在會(huì)改變涂層的力學(xué)性能和物理性能。非晶相在Fe基非晶合金涂層中起著關(guān)鍵作用，它賦予了涂層許多優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐腐蝕性等。非晶相的原子排列長(zhǎng)程無(wú)序，不存在晶界、位錯(cuò)等晶體缺陷，這使得非晶相具有較高的強(qiáng)度和硬度。同時(shí)，非晶相的均勻結(jié)構(gòu)也有利于提高涂層的耐腐蝕性，因?yàn)椴淮嬖诰Ы绲热毕?，腐蝕介質(zhì)難以沿著這些薄弱部位滲透和擴(kuò)散。涂層中非晶相的比例對(duì)涂層性能有著顯著影響。當(dāng)非晶相比例較高時(shí)，涂層的綜合性能較好；而當(dāng)非晶相比例降低，晶相比例增加時(shí)，涂層的性能可能會(huì)發(fā)生變化，如硬度和耐腐蝕性可能會(huì)下降，而韌性可能會(huì)有所提高。在研究激光熔覆Fe基非晶復(fù)合涂層時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)涂層中非晶相含量從60%降低到40%時(shí)，涂層的顯微硬度從800HV降低到600HV，在1mol/LH?SO?溶液中的腐蝕電位從-0.3V負(fù)移到-0.5V，耐腐蝕性能下降。四、Fe基非晶合金及其涂層的熱傳導(dǎo)性能4.1Fe基非晶合金的熱傳導(dǎo)性能4.1.1熱傳導(dǎo)機(jī)制理論Fe基非晶合金的熱傳導(dǎo)機(jī)制主要涉及電子傳導(dǎo)和聲子傳導(dǎo)。在金屬材料中，電子在熱傳導(dǎo)過(guò)程中起著重要作用。對(duì)于Fe基非晶合金而言，其內(nèi)部存在著大量的自由電子，這些自由電子在溫度梯度的作用下會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)，從而攜帶熱量實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)。與晶體金屬相比，F(xiàn)e基非晶合金中原子排列的長(zhǎng)程無(wú)序性使得電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)頻繁地與原子發(fā)生散射。這種散射作用增加了電子運(yùn)動(dòng)的阻力，使得電子的平均自由程減小，進(jìn)而影響了電子對(duì)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)。聲子是晶格振動(dòng)的能量量子，在Fe基非晶合金的熱傳導(dǎo)中同樣扮演著關(guān)鍵角色。由于非晶合金沒(méi)有周期性的晶格結(jié)構(gòu)，其聲子譜與晶體材料有顯著差異。在晶體中，聲子的傳播具有一定的方向性和周期性，而在Fe基非晶合金中，原子的無(wú)序排列導(dǎo)致聲子的散射更加劇烈。聲子在傳播過(guò)程中會(huì)與各種微觀結(jié)構(gòu)缺陷（如原子的不規(guī)則排列、短程有序結(jié)構(gòu)等）相互作用，使得聲子的平均自由程大幅縮短。這種強(qiáng)烈的聲子散射使得聲子在非晶合金中的熱傳導(dǎo)效率降低，導(dǎo)致Fe基非晶合金的熱導(dǎo)率相對(duì)較低。與晶體材料相比，F(xiàn)e基非晶合金熱傳導(dǎo)機(jī)制的差異主要體現(xiàn)在電子和聲子的散射情況上。在晶體中，原子的規(guī)則排列使得電子和聲子的散射相對(duì)較弱，電子和聲子能夠較為順暢地傳播，因此晶體材料通常具有較高的熱導(dǎo)率。而Fe基非晶合金中原子的無(wú)序排列增加了電子和聲子的散射幾率，阻礙了它們的傳播，導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降。晶體中的聲子具有明確的色散關(guān)系，其頻率和波矢之間存在著特定的函數(shù)關(guān)系，這使得聲子在晶體中的傳播具有較好的規(guī)律性。而在Fe基非晶合金中，由于原子排列的無(wú)序性，聲子的色散關(guān)系變得模糊，聲子的傳播行為更加復(fù)雜，進(jìn)一步影響了熱傳導(dǎo)性能。4.1.2影響熱傳導(dǎo)性能的因素Fe基非晶合金的熱傳導(dǎo)性能受到多種因素的綜合影響，其中成分、溫度和微觀結(jié)構(gòu)是最為關(guān)鍵的因素。成分對(duì)Fe基非晶合金熱傳導(dǎo)性能的影響十分顯著。不同元素的加入會(huì)改變合金的電子結(jié)構(gòu)和原子間相互作用，從而影響電子和聲子的傳導(dǎo)過(guò)程。在Fe基非晶合金中添加類(lèi)金屬元素（如B、Si、P等），這些元素的外層電子結(jié)構(gòu)與Fe原子不同，會(huì)改變合金的電子云分布，進(jìn)而影響電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。類(lèi)金屬元素的加入還會(huì)導(dǎo)致原子尺寸的變化，使得原子排列更加無(wú)序，增加了電子和聲子的散射幾率，從而降低熱導(dǎo)率。研究表明，隨著B(niǎo)元素含量的增加，F(xiàn)e基非晶合金的熱導(dǎo)率逐漸降低。這是因?yàn)锽原子的半徑較小，它的加入破壞了Fe原子的有序排列，使得電子和聲子在傳播過(guò)程中更容易受到散射，阻礙了熱傳導(dǎo)。溫度也是影響Fe基非晶合金熱傳導(dǎo)性能的重要因素。隨著溫度的升高，F(xiàn)e基非晶合金中原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，聲子的振動(dòng)頻率和振幅增大。這使得聲子之間的相互作用增強(qiáng)，聲子散射幾率增加，導(dǎo)致聲子的平均自由程減小，熱導(dǎo)率降低。在低溫范圍內(nèi)，電子對(duì)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)相對(duì)較大，隨著溫度升高，聲子散射逐漸增強(qiáng)，聲子對(duì)熱傳導(dǎo)的影響逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，電子和聲子的散射效應(yīng)都會(huì)顯著增強(qiáng)，使得熱導(dǎo)率急劇下降。在對(duì)Fe基非晶合金熱導(dǎo)率的研究中發(fā)現(xiàn)，在室溫到500K的溫度范圍內(nèi)，熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而逐漸降低，且降低的速率逐漸增大。微觀結(jié)構(gòu)對(duì)Fe基非晶合金熱傳導(dǎo)性能的影響也不容忽視。非晶合金中的短程有序結(jié)構(gòu)、原子團(tuán)簇以及可能存在的微區(qū)不均勻性等微觀結(jié)構(gòu)特征都會(huì)對(duì)熱傳導(dǎo)產(chǎn)生影響。短程有序結(jié)構(gòu)的存在會(huì)導(dǎo)致原子排列在局部區(qū)域具有一定的規(guī)律性，這可能會(huì)影響聲子的散射行為。如果短程有序結(jié)構(gòu)的尺寸和分布與聲子的波長(zhǎng)相當(dāng)，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的聲子散射，降低熱導(dǎo)率。原子團(tuán)簇的性質(zhì)和分布也會(huì)影響熱傳導(dǎo)性能。不同元素組成的原子團(tuán)簇，其內(nèi)部的原子間相互作用和電子結(jié)構(gòu)與周?chē)w不同，會(huì)成為電子和聲子散射的中心，阻礙熱傳導(dǎo)。非晶合金中的微區(qū)不均勻性，如成分偏析、密度起伏等，也會(huì)導(dǎo)致熱傳導(dǎo)性能的變化。這些微區(qū)不均勻性會(huì)產(chǎn)生額外的散射源，使得電子和聲子在傳播過(guò)程中受到更多的阻礙，從而降低熱導(dǎo)率。4.2Fe基非晶合金涂層的熱傳導(dǎo)性能4.2.1涂層熱傳導(dǎo)性能的測(cè)試方法目前，用于測(cè)試Fe基非晶合金涂層熱傳導(dǎo)性能的實(shí)驗(yàn)方法主要有激光閃光法和穩(wěn)態(tài)熱流法。激光閃光法是一種常用的非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法，具有測(cè)試速度快、精度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量Fe基非晶合金涂層的熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率。在測(cè)試過(guò)程中，將涂層樣品加工成一定尺寸的薄片，放置在樣品臺(tái)上，用高強(qiáng)度的激光脈沖瞬間照射樣品的一側(cè)表面，使樣品表面吸收激光能量而迅速升溫。由于熱量會(huì)從高溫的表面向低溫的內(nèi)部傳導(dǎo)，通過(guò)安裝在樣品另一側(cè)的紅外探測(cè)器測(cè)量樣品背面溫度隨時(shí)間的變化曲線，根據(jù)熱擴(kuò)散理論，利用特定的數(shù)學(xué)模型對(duì)溫度-時(shí)間曲線進(jìn)行分析，從而計(jì)算出樣品的熱擴(kuò)散率。再結(jié)合樣品的比熱容和密度等參數(shù)，就可以進(jìn)一步計(jì)算得到熱導(dǎo)率。穩(wěn)態(tài)熱流法也是一種重要的測(cè)試方法，該方法基于傅里葉熱傳導(dǎo)定律，在穩(wěn)態(tài)條件下，通過(guò)測(cè)量樣品兩側(cè)的溫度差以及通過(guò)樣品的熱流密度，從而計(jì)算出熱導(dǎo)率。在實(shí)際操作中，將Fe基非晶合金涂層樣品置于一個(gè)穩(wěn)定的溫度梯度場(chǎng)中，使熱量在樣品中穩(wěn)定地傳導(dǎo)。通過(guò)高精度的溫度傳感器測(cè)量樣品兩側(cè)的溫度，利用熱流計(jì)測(cè)量通過(guò)樣品的熱流密度，根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律公式q=-\lambda\frac{dT}{dx}（其中q為熱流密度，\lambda為熱導(dǎo)率，\frac{dT}{dx}為溫度梯度），就可以計(jì)算出涂層的熱導(dǎo)率。穩(wěn)態(tài)熱流法適用于測(cè)量熱導(dǎo)率較大的材料，對(duì)于Fe基非晶合金涂層，當(dāng)涂層的熱導(dǎo)率相對(duì)較高時(shí)，采用穩(wěn)態(tài)熱流法可以獲得較為準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試條件的要求較高，測(cè)試過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件，這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。4.2.2涂層結(jié)構(gòu)與熱傳導(dǎo)性能的關(guān)系Fe基非晶合金涂層的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其熱傳導(dǎo)性能有著顯著的影響。涂層中的層狀結(jié)構(gòu)和孔隙特征是影響熱傳導(dǎo)性能的重要因素。如前文所述，F(xiàn)e基非晶合金涂層呈現(xiàn)出典型的層狀組織結(jié)構(gòu)，這種層狀結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)熱傳導(dǎo)產(chǎn)生阻礙作用。由于層與層之間存在界面，這些界面的存在增加了熱阻，使得熱量在傳遞過(guò)程中需要克服更多的阻力，從而降低了熱傳導(dǎo)效率。研究表明，當(dāng)涂層的層狀結(jié)構(gòu)較為明顯，層間結(jié)合不夠緊密時(shí)，熱導(dǎo)率會(huì)明顯下降。涂層中的孔隙同樣會(huì)對(duì)熱傳導(dǎo)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。孔隙的存在使得涂層的實(shí)際熱傳導(dǎo)路徑變得曲折，熱量在通過(guò)孔隙時(shí)會(huì)發(fā)生散射和反射，從而增加了熱傳導(dǎo)的難度?？紫哆€會(huì)降低涂層的有效導(dǎo)熱截面積，進(jìn)一步降低熱導(dǎo)率。當(dāng)涂層的孔隙率從1%增加到5%時(shí)，其熱導(dǎo)率可能會(huì)降低20%-30%。因此，減少涂層中的孔隙率，提高涂層的致密性，對(duì)于提高涂層的熱傳導(dǎo)性能至關(guān)重要。可以通過(guò)優(yōu)化制備工藝參數(shù)，如調(diào)整噴涂功率、噴涂距離、送粉速率等，來(lái)減少孔隙的產(chǎn)生，提高涂層的質(zhì)量。晶相組織和非晶相比例也是影響Fe基非晶合金涂層熱傳導(dǎo)性能的關(guān)鍵因素。如前所述，F(xiàn)e基非晶合金涂層中通常存在晶相組織和非晶相，它們的存在形式和比例會(huì)改變涂層的熱傳導(dǎo)機(jī)制。晶相具有規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)，聲子在晶相中的傳播相對(duì)較為順暢，熱導(dǎo)率相對(duì)較高；而非晶相的原子排列長(zhǎng)程無(wú)序，聲子散射強(qiáng)烈，熱導(dǎo)率較低。當(dāng)涂層中非晶相比例較高時(shí)，整體熱導(dǎo)率會(huì)相對(duì)較低；隨著晶相比例的增加，熱導(dǎo)率會(huì)有所提高。但晶相的增加也可能會(huì)導(dǎo)致涂層的其他性能下降，如耐腐蝕性、硬度等，因此需要在熱傳導(dǎo)性能和其他性能之間進(jìn)行綜合考慮和平衡。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)控制制備工藝和熱處理?xiàng)l件，來(lái)調(diào)整涂層中晶相和非晶相的比例，以滿足不同的性能需求。五、微結(jié)構(gòu)與熱傳導(dǎo)性能的關(guān)系5.1Fe基非晶合金微結(jié)構(gòu)對(duì)熱傳導(dǎo)性能的影響5.1.1原子排列與熱傳導(dǎo)Fe基非晶合金原子排列呈現(xiàn)出短程有序而長(zhǎng)程無(wú)序的獨(dú)特狀態(tài)，這種特殊的原子排列方式對(duì)熱傳導(dǎo)過(guò)程中的電子和聲子散射產(chǎn)生了顯著影響。在熱傳導(dǎo)過(guò)程中，電子和聲子是熱量傳遞的主要載體。對(duì)于電子而言，其在晶體材料中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于晶體具有規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)，電子可以在晶格中較為順暢地傳播，散射幾率相對(duì)較低。而在Fe基非晶合金中，原子排列的長(zhǎng)程無(wú)序性使得電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中頻繁地與周?chē)影l(fā)生碰撞和散射。這種散射作用就像在電子的運(yùn)動(dòng)路徑上設(shè)置了無(wú)數(shù)的障礙，使得電子的平均自由程大幅減小。電子平均自由程的減小意味著電子在單位時(shí)間內(nèi)能夠傳遞熱量的距離縮短，從而降低了電子對(duì)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)。當(dāng)電子在非晶合金中運(yùn)動(dòng)時(shí)，遇到的原子排列不規(guī)則，電子的散射幾率比在晶體中增加了數(shù)倍，導(dǎo)致電子的平均自由程從晶體中的幾十納米減小到非晶合金中的幾納米甚至更小，進(jìn)而顯著降低了熱導(dǎo)率。聲子在Fe基非晶合金中的傳播同樣受到原子排列的影響。聲子是晶格振動(dòng)的能量量子，在晶體中，晶格的周期性排列使得聲子能夠以較為規(guī)則的方式傳播，具有明確的色散關(guān)系，聲子的散射主要來(lái)源于晶格振動(dòng)的相互作用以及雜質(zhì)、缺陷等因素。而在Fe基非晶合金中，由于原子排列的無(wú)序性，不存在規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)，聲子的傳播路徑變得雜亂無(wú)章。聲子在傳播過(guò)程中會(huì)與各種微觀結(jié)構(gòu)缺陷，如原子的不規(guī)則排列、短程有序結(jié)構(gòu)等相互作用，發(fā)生強(qiáng)烈的散射。這種強(qiáng)烈的聲子散射使得聲子的平均自由程大幅縮短，嚴(yán)重阻礙了聲子的熱傳導(dǎo)過(guò)程。研究表明，F(xiàn)e基非晶合金中聲子的平均自由程比晶體材料中要小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這是導(dǎo)致Fe基非晶合金熱導(dǎo)率較低的重要原因之一。短程有序結(jié)構(gòu)雖然在局部區(qū)域存在一定的原子排列規(guī)則性，但這種規(guī)則性與晶體的長(zhǎng)程有序不同，它在整體的無(wú)序結(jié)構(gòu)中形成了一些特殊的散射中心。聲子在傳播到這些短程有序結(jié)構(gòu)區(qū)域時(shí)，會(huì)因?yàn)樵优帕械牟町惗l(fā)生散射，進(jìn)一步降低了聲子的傳播效率。因此，F(xiàn)e基非晶合金原子排列的長(zhǎng)程無(wú)序和短程有序特征共同作用，通過(guò)增強(qiáng)電子和聲子的散射，顯著影響了熱傳導(dǎo)性能，使得Fe基非晶合金的熱導(dǎo)率低于晶體材料。5.1.2磁性結(jié)構(gòu)與熱傳導(dǎo)Fe基非晶合金中存在著特殊的磁性結(jié)構(gòu)，這種磁性結(jié)構(gòu)對(duì)其熱傳導(dǎo)性能有著獨(dú)特的影響機(jī)制。Fe原子具有固有磁矩，在Fe基非晶合金中，這些磁矩之間存在著相互作用，形成了復(fù)雜的磁性結(jié)構(gòu)。磁性結(jié)構(gòu)對(duì)熱傳導(dǎo)性能的影響主要體現(xiàn)在磁振子的作用上。磁振子是磁性材料中自旋波的量子，它在熱傳導(dǎo)過(guò)程中扮演著重要角色。在Fe基非晶合金中，磁振子與聲子、電子之間存在著相互耦合作用。這種耦合作用會(huì)影響熱傳導(dǎo)過(guò)程中能量的傳遞方式和效率。當(dāng)磁振子與聲子發(fā)生耦合時(shí)，會(huì)改變聲子的散射特性。由于磁振子的存在，聲子在傳播過(guò)程中除了與原子的不規(guī)則排列等微觀結(jié)構(gòu)缺陷相互作用外，還會(huì)與磁振子發(fā)生相互作用，從而增加了聲子的散射幾率。這種額外的散射會(huì)進(jìn)一步降低聲子的平均自由程，使得聲子熱傳導(dǎo)受到阻礙，進(jìn)而影響了合金的熱導(dǎo)率。磁性結(jié)構(gòu)的變化也會(huì)對(duì)熱傳導(dǎo)性能產(chǎn)生影響。在外界磁場(chǎng)的作用下，F(xiàn)e基非晶合金的磁性結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，磁矩的取向會(huì)發(fā)生調(diào)整。這種磁性結(jié)構(gòu)的變化會(huì)導(dǎo)致磁振子的性質(zhì)和分布發(fā)生改變，進(jìn)而影響磁振子與聲子、電子之間的耦合作用。當(dāng)施加一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)時(shí)，磁矩的取向更加有序，磁振子的激發(fā)和傳播特性發(fā)生變化，這可能會(huì)導(dǎo)致聲子散射情況的改變，從而對(duì)熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響。研究表明，在某些情況下，適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)作用可以改變Fe基非晶合金的熱導(dǎo)率，這進(jìn)一步說(shuō)明了磁性結(jié)構(gòu)與熱傳導(dǎo)性能之間存在著密切的聯(lián)系。此外，F(xiàn)e基非晶合金中的磁性轉(zhuǎn)變溫度（如居里溫度）也與熱傳導(dǎo)性能相關(guān)。當(dāng)溫度接近居里溫度時(shí)，合金的磁性結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生劇烈變化，磁振子的行為也會(huì)發(fā)生顯著改變。這種磁性結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變會(huì)對(duì)聲子和電子的熱傳導(dǎo)過(guò)程產(chǎn)生影響，導(dǎo)致熱導(dǎo)率在居里溫度附近出現(xiàn)異常變化。因此，磁性結(jié)構(gòu)是影響Fe基非晶合金熱傳導(dǎo)性能的重要因素之一，深入研究磁性結(jié)構(gòu)與熱傳導(dǎo)性能之間的關(guān)系，對(duì)于理解Fe基非晶合金的熱學(xué)性質(zhì)具有重要意義。5.2Fe基非晶合金涂層微結(jié)構(gòu)對(duì)熱傳導(dǎo)性能的影響5.2.1層狀結(jié)構(gòu)與熱阻Fe基非晶合金涂層的層狀結(jié)構(gòu)是其微觀結(jié)構(gòu)的重要特征之一，對(duì)熱傳導(dǎo)性能有著顯著的影響。如前文所述，在涂層制備過(guò)程中，熔化或半熔化的粉末顆粒逐次撞擊基體表面并扁平化，層層堆積形成了典型的層狀組織結(jié)構(gòu)。這種層狀結(jié)構(gòu)使得熱量在涂層中的傳導(dǎo)路徑變得復(fù)雜，增加了熱阻。從熱傳導(dǎo)的微觀過(guò)程來(lái)看，當(dāng)熱量沿著涂層傳遞時(shí)，需要穿過(guò)一層又一層的粒子界面。這些界面處的原子排列與涂層內(nèi)部的原子排列存在差異，原子間的結(jié)合力也相對(duì)較弱。熱量在通過(guò)界面時(shí)，會(huì)發(fā)生散射和反射現(xiàn)象，導(dǎo)致部分熱量無(wú)法順利地沿著原來(lái)的方向傳遞，從而增加了熱傳導(dǎo)的阻力。這種界面散射效應(yīng)類(lèi)似于在電子傳導(dǎo)過(guò)程中晶界對(duì)電子的散射作用，使得熱傳導(dǎo)效率降低。研究表明，當(dāng)涂層的層狀結(jié)構(gòu)較為明顯，層間結(jié)合不夠緊密時(shí)，界面處的熱阻會(huì)顯著增大，熱導(dǎo)率會(huì)明顯下降。在大氣等離子噴涂制備的Fe基非晶合金涂層中，如果噴涂工藝參數(shù)控制不當(dāng)，導(dǎo)致涂層的層間結(jié)合不緊密，存在較多的微小縫隙，那么熱導(dǎo)率可能會(huì)降低10%-20%。涂層的層狀結(jié)構(gòu)還會(huì)影響熱傳導(dǎo)的方向性。由于層狀結(jié)構(gòu)的存在，熱量在平行于涂層層面方向和垂直于涂層層面方向的傳導(dǎo)路徑和熱阻不同，從而導(dǎo)致熱導(dǎo)率呈現(xiàn)各向異性。在平行于涂層層面方向，熱量主要沿著粒子的平面方向傳導(dǎo)，相對(duì)來(lái)說(shuō)傳導(dǎo)路徑較為順暢，熱阻較??；而在垂直于涂層層面方向，熱量需要不斷地穿過(guò)粒子界面，傳導(dǎo)路徑曲折，熱阻較大。這種熱導(dǎo)率的各向異性在實(shí)際應(yīng)用中需要引起重視，例如在一些需要均勻散熱的場(chǎng)合，如果涂層的熱導(dǎo)率各向異性過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致熱量分布不均勻，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，優(yōu)化涂層的制備工藝，改善層狀結(jié)構(gòu)，減小層間熱阻，對(duì)于提高Fe基非晶合金涂層的熱傳導(dǎo)性能具有重要意義。5.2.2晶相和非晶相比例的作用Fe基非晶合金涂層中晶相和非晶相的比例是影響其熱傳導(dǎo)性能的關(guān)鍵因素之一。如前文所述，F(xiàn)e基非晶合金涂層通常由晶相組織和非晶相組成，它們的存在形式和比例對(duì)熱傳導(dǎo)機(jī)制產(chǎn)生重要影響。晶相具有規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)，原子排列有序，聲子在其中的傳播相對(duì)較為順暢。在晶相中，聲子的散射主要來(lái)源于晶格振動(dòng)的相互作用以及雜質(zhì)、缺陷等因素，相比于非晶相，其聲子散射幾率較小，因此晶相的熱導(dǎo)率相對(duì)較高。研究表明，在一些含有晶相的Fe基非晶合金涂層中，晶相的熱導(dǎo)率可以達(dá)到非晶相熱導(dǎo)率的數(shù)倍。非晶相的原子排列長(zhǎng)程無(wú)序，存在大量的微觀結(jié)構(gòu)缺陷，如原子的不規(guī)則排列、短程有序結(jié)構(gòu)等，這些缺陷會(huì)強(qiáng)烈地散射聲子，使得聲子的平均自由程大幅縮短，熱導(dǎo)率較低。當(dāng)涂層中非晶相比例較高時(shí)，整體熱導(dǎo)率會(huì)相對(duì)較低。隨著非晶相比例的增加，聲子散射增強(qiáng)，熱量傳遞受到更大的阻礙，熱導(dǎo)率進(jìn)一步降低。在激光熔覆制備的Fe基非晶復(fù)合涂層中，當(dāng)非晶相含量從40%增加到60%時(shí)，涂層的熱導(dǎo)率可能會(huì)降低30%-40%。相反，隨著晶相比例的增加，熱導(dǎo)率會(huì)有所提高。晶相比例的增加意味著更多的熱量可以通過(guò)晶相較為高效地傳導(dǎo)，從而提高了整體的熱傳導(dǎo)性能。但晶相的增加也可能會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面影響，如導(dǎo)致涂層的耐腐蝕性、硬度等性能下降。因?yàn)榫Ы绲拇嬖诳赡軙?huì)成為腐蝕介質(zhì)的滲透通道，降低涂層的耐腐蝕性能；晶相的形成還可能改變涂層的組織結(jié)構(gòu)，影響其硬度和耐磨性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要在熱傳導(dǎo)性能和其他性能之間進(jìn)行綜合考慮和平衡，通過(guò)控制制備工藝和熱處理?xiàng)l件，來(lái)調(diào)整涂層中晶相和非晶相的比例，以滿足不同的性能需求。例如，在一些