摘 要：分析了表面处理技术在制备非晶材料方面的研究现状，指出表面处理技术是实现非晶材料制备与成形一体化的有效方法之一。 应用该技术制备非晶材料可以简化工艺，缩短生产周期，这对表面处理技术的推广具有重要意义。
关键词：表面处理；非晶；应用
非晶合金俗称金属玻璃。 最早是由美国加州理工学院Duwez教授于1960年在研究Au-Si二元合金时，以极快的冷却速度使合金凝固，得到了非晶态的Au-Si合金。 非晶态合金的原子呈短程有序长程无序排列，因而不存在空位、位错、晶界及层错等缺陷，这一特性使非晶态合金具有优良的性能：高强度、高硬度、高韧性、软磁特性、耐蚀性和超导特性，在很多领域具有广阔的应用前景。
1 获得非晶材料的条件
获得非晶态， 最根本的条件是要有足够快的冷却速度，要求冷却速度高达105～106℃/s。 为了达到这一冷却速度，已经发展了许多技术。以非晶态合金带材、线材为例，其制备方法有：①由气相直接凝聚成非晶态固体，如真空蒸镀、溅射、化学气相沉积，这些方法一般只用来制备薄膜； ②由液态快速淬火获得非晶态固体； ③由结晶材料通过电子束、 激光辐射、离子注入、冲击波等方法制得非晶态材料；电子束加热时，束斑平均功率密度为104~105W/cm2，加热速度为103~105℃/s，所以表面已加热到相变点以上，而基体仍然处于冷态， 可以利用自身的热传导，以104~106℃/s速度冷却，从而获得非晶层［1］。 其中的①、 ③正是表面处理技术在制备非晶材料方面的应用， 由于液态快速淬火法在制备非晶材料时受到冷却速度的限制， 而利用高能量密度的热源进行表面处理技术时可以实现快速冷却， 据悉电子束表面处理技术可以使冷却速度达到107~109℃/s， 这对制备非晶材料非常有利［2］。 另外，表面处理技术中的热喷涂技术作为一种新兴的制备工艺， 可实现材料制备与成形一体化，明显缩减生产周期，已成为可以工业化应用的重要制备技术。 非晶态合金块材制备方法有：熔体水淬法和金属模铸造法。
2 表面处理技术制备非晶材料的方法及应用
2.1 真空蒸镀法
真空蒸镀法是在高真空中， 采用快速蒸镀的方法使镀料转化为气相， 然后凝聚在基体表面形成非晶态薄膜。 基体可选用金属、玻璃、石英等，不同的材料，选择不同的冷却温度，对于制备Si、Ge等共价键元素和某些碳化物、氧化物、钛酸盐、有机半导体材料等在室温或其以上温度下可得到非晶薄膜，而纯金属等需在液氮温度附近的基板上才能形成非晶薄膜。 采用金属或非金属元素或2种在高浓度下互不相溶的金属元素共同蒸镀，比纯金属容易形成非晶薄膜［3］。
真空蒸镀法的优点是操作简单方便， 尤其适合制备非晶态纯金属或半导体。 缺点是合金品种受到限制，成分难以控制，而且蒸发过程中不可避免地夹带杂质、使薄膜的质量受到影响。
邓金祥，康成龙等利用真空蒸镀法（真空度高于1.33×10-3Pa）在硅衬底上镀制了非晶的红荧烯薄膜，为多晶结构的红荧烯奠定了基础， 该膜层可以用作有机场效应管和太阳能光伏器件［4］。
2.2 溅射法
溅射法是在真空中利用荷能离子轰击镀料表面， 使被轰击出的粒子在基片上沉积形成非晶态薄膜。这种方法的优点是制得的薄膜较蒸发膜致密，与基板的结合力强。缺点是由于真空度较低，磁控溅射时真空度在0.066~0.130 Pa， 因此容易混入气体杂质，而且基体温度在溅射过程中可能升高，适于制备晶化温度较高的非晶态材料。 据报导赵登涛等利用磁控溅射法制备了100 nm到10 nm的非晶Al2O3薄膜，薄膜的介电强度高，具有良好的绝缘性能［5］。
溅射法在非晶态半导体、 非晶态磁性材料的制备中应用较多，近年发展的等离子溅射，沉积速率大大提高，可制备厚膜。
2.3 化学气相沉积（CVD）
化学气相沉积就是在相当高的温度下 （大约为900～2 000 ℃）， 混合气体与基体表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解， 并在基体上形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层。 这种方法多用于制备非晶态Si，Ge，Si3N4，SiC，SiB等薄膜， 适用于晶化温度较高的材料，不适于制备非晶态金属［6］。
北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室， 利用热丝辅助CVD 技术成功制备了高光敏性(σph/σd>105)和高沉积速率(DR>25 nm/s)的氢化非晶硅薄膜，该薄膜具有优异的光电特性，在制备太阳能电池中有重要的应用［7］。
2.4 化学镀法
应用化学镀方法可以制得非晶合金镀层。 通常所用的还原剂为次亚磷酸钠、次亚磷酸、硼氢化钠、二甲胺硼烷等以形成含有P或B的Ni或Co的非晶合金。 当镀液温度较低时，随着溶液这pH值降低、还原剂浓度的增加， 则镀层中的P或B的量增加。 当P或B在合金镀层中的量接近相图中的共晶组成范围附近处， 便易于形成非晶合金［8］。
1946年Branner和Riddll在镍盐和次亚磷酸盐组成的溶液中首次获得了化学镀镍磷非晶态镀层。 吕少勇， 刘连川等用模板化学镀法制备了非晶态的Ni-P合金空心微球（镍质量分数为87.8%，磷质量分数为12.2%)， 该合金空心微球在液相硝基苯加氢反应中表现出比传统的Raney—Ni催化剂更好的催化活性和循环使用性能［9］。 武晓阳等研究了在45钢上利用化学镀的方法制备了镍-磷非晶态镀层，该镀层均匀、硬度高、耐蚀性好、深镀能力强，由于镀层中w(P)≥10％时，镀层将无晶格缺陷和位错 ，表现出非磁性等诸多优异性能［10］。
2.5 电镀法
通过电镀合金可以获得组织致密， 性能优异的非晶态合金。 1950年布伦纳用电沉积法得到了镍磷合金， 并确定：磷含量高时合金为非晶态， 指出该镀层具有良好的抗盐酸及大气腐蚀性能， 经400 ℃热处理后硬度可以达到900 HV以上， 是一种良好的耐磨镀层［11］。 廖富荣，李孟洋采用电沉积工艺制备了Fe—P非晶镀层，硬度为500 HV，镀层硬度随热处理温度逐渐增加而增大，并在370 ℃达到最大值，镀层硬度为1 100 HV。该镀层有着优良的耐蚀性、较高的硬度以及很好的软磁性能，应用前景广阔［12］。
电刷镀 (又称涂镀) 是电镀的一种特殊方式，不用镀槽，只需在不断供应电解液的条件下，用一支镀笔在工件表面上进行擦拭，从而获得电镀层。刷镀非晶态镀层是用电化学方法获得非晶材料的一种新工艺， 它能在常温下使用简单的设备， 在工件表面直接获得非晶镀层。 研究发现电刷镀Fe-Cr合金室温下为典型的非晶态合金［13］。
2.6 热喷涂法
热喷涂技术按照热源种类分为火焰喷涂、 电弧喷涂、爆炸喷涂、电爆喷涂、等离子喷涂和超音速火焰喷涂等， 这些技术在制备非晶材料方面发挥了独特的优势。向兴华等用等离子喷涂工艺，以Fe基非晶非晶粉末作为喷涂原料，在A3钢基材上制得了高非晶含量的Fe基非晶涂层，涂层致密、氧化物含量少，涂层与基体的显微硬度在700～950 HV0.1范围内，结合强度达27 MPa，能够满足实际使用的要求。 随着热喷涂技术的不断发展， 喷涂原料也从非晶粉末发展到普通的含有非晶涂层形成元素的粉芯丝材，在喷涂过程中可实现形成非晶涂层［14］。王翠玲、吴玉萍等用超音速火焰喷涂在不锈钢基体上得到了Fe-Cr合金非晶涂层，该涂层平均硬度能达到1 084HV0.2，明显高于基体（靠近涂层的基体硬度为511 HV0.2，而基体内部更低）［15］。装甲兵工程学院再制造技术国防科技重点实验室采用高速电弧喷涂技术制备的铁基非晶纳米晶复合涂层，非晶含量高（80%以上），孔隙率不到1%、氧化物含量少，平均结合强度高达58MPa，耐磨损性能是3Cr13涂层的5～6倍，涂层具有优异的抗高温冲蚀性能［16］。J. Yamasaki等用电爆喷涂的方法在杆状不锈钢表面喷涂高结合强度的Ni、Fe-Ni、Fe-Co-Ni丝磁致伸缩非晶涂层， 该涂层具有较高的附着力，解决了把非晶薄带粘接在传感器轴的外面，不能在恶劣环境下长期工作的难题， 而且此方法制作的转矩传感器的E-σ特性线性度良好［17］。
3 表面处理技术的发展
表面处理技术是一门边缘学科， 只有和其它技术结合，才可能有长足的发展。 而要实现非晶状态，金属通常需要105～106K/s的冷却速度，要得到如此大的冷却速度， 行之有效的方法就是在具有良好导热率的金属表面喷射金属熔液。 表面处理技术和非晶材料因此有了密切的联系， 同时传统的非晶合金只能得到粉末、丝、带和薄片等一维和二维的形状材料，这在很大程度上限制了非晶的应用，特别是阻碍了对其力学、物理等性能的研究。大尺寸块体非晶材料曾是材料研究领域的世界级难题， 近10年才有了突破，1995年，日本东北大学井上明久教授课题组开发出了第1个块体铁基非晶，使铁基非晶的开发应用进人了一个新的阶段。经过20多年的发展，非晶从只有几个微米到现在的厘米级别［18］。 表面处理技术正好弥补了非晶材料在这方面的不足， 尤其是21世纪以来，金属表面处理技术得到了迅猛发展，出现了许多新技术、新工艺，例如激光表面处理技术、电子束表面处理技术， 这些都将使表面处理技术有更为广阔的应用。
参考文献略
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