金屬間化合物

自從有冶金技術以來，就已經制備了金屬間化合物。Westbrook 在1976-1993年間曾相當詳細地敍述了金屬間化合物的發展史。他提到，人們是從使用低熔點合金系發展到使用某些金屬間化合物的。金屬間化合物的應用則是由於金屬間化合物具有高的硬度，良好的耐磨性，同時還具有金屬性，並可以拋光，因而作為裝飾材料而具有廣泛的應用。例如，古埃及使用的青銅塗層和中國使用的青銅鏡等。到20世紀初，金屬間化合物的應用主要是作為功能材料，首先是由於某些相具有特殊的磁性而實現其工業應用,隨後才發展到形狀記憶材料和超導材料的實際應用。熱電轉換功能材料MoSi2不是一種典型的金屬間化合物，而是一種由金屬間化合物到金屬與非金屬化合物（硅不是金屬而是半導體）的一個標誌。儘管如此，按慣例仍將硅化合物列入金屬間化合物類。因為其與金屬有許多相似之處。還有一類主要的化合物是由第ⅢA族和ⅤA族元素形成的化合物，如InSb、GeAs、InAs等，這些相的組成元素有金屬、半金屬和非金屬，形成的化合物是半導體，不屬於具有金屬特性的金屬間化合物。 ^[2] 

由於金屬間化合物的高脆性高硬度等特性，到20世紀50-70年代才成功地研究並開發了金屬間化合物在結構材料領域的應用（汞齊作為牙科材料是個例外），典型的例子是TizAl、NigAl的開發和應用。 ^[2] 

金屬間化合物（中間相）是許多工業合金中重要的組成相。到目前為止，金屬間化合物應用最廣、品種最多的仍是在光、電、磁聲、熱和功能轉換等方面具有特性的功能材料領域。 ^[2] 

兩種金屬的原子按一定比例化合，形成與原來兩者的晶格均不同的合金組成物。 ^[6] 

金屬間化合物與普通化合物不同，其組成可在一定範圍內變化，組成元素的化合價很難確定，但具有顯著的金屬結合鍵。 ^[4] 

其化學成分通常符合A_mB_n形式， ^[4]  在金屬功能材料中，有結構材料，如Ni₃Ti、Ni₃A1、NiAl、Fe₃Al、FeAl、Ti₃Al和TiAl等可用作高温結構材料；磁性材料YCo₅、 PcOsNd₂Fe₁₄B，形狀記憶合金NiT，半導體材料GaAs、InP，超導材料 Nb₃Sn、V₃Ga，儲氫材料Lanis、FeTi、Mg₂Ni等。 ^[1] 

這類化合物雖然也可以用一個 “分子式”表示，但它和普通的化合物相比，具有若干不同的特點： ^[1] 

①大部分金屬間化合物不符合原子價規則。例如，Cu-Zn合金系中有三種金屬間化合物CuZn、Cu₅Zn₈和CuZn₃。顯然，這三種化合物都不符合化合價的規則。 ^[1] 

②大部分金屬間化合物的成分並不確定，也就是説，化合物中各組元原 子的比並非確定值，而是或多或少可以在一定範圍內變化。例如，CuZn化合物中Cu和Zn原子之比（Cu/Zn）可 以在36%-55%的範圍內變化。 ^[1] 

③原 子間的結合鍵往往不是單一類型的鍵，而是混合鍵，即離子鍵、共價鍵、金屬鍵、乃至分子鍵（範德瓦斯力）並存。但不同的化合物占主導地位的鍵也不同。 ^[1] 

④由於存在離子鍵或共價鍵， 故金屬間化合物往往硬而脆（強度高，塑性差）。但又因存在金屬鍵的成分， 也或多或少具有金屬特性（如有一定的塑性、導電性和金屬光澤等）。 ^[1] 

⑤金屬間化合物的結構是由原子價、電子濃度、原子（或離子）半徑等多個因素決定的。 ^[1] 

機械合金化（Mechanical Alloying，MA）是J.S. Banjamin提出的一種製備合金粉末的高能球磨技術，通常為乾式球磨。磨球和粉末間的相互碰撞引起塑性粉末的壓扁和加工硬化，導致粒子重疊，表面接觸。發生冷焊。形成由各組分組成的多層複合粉末粒子，同時加工硬化層及複合粒子發生斷裂。冷焊與斷裂不斷重複。以及充分揉混，使得粉末細化且更加均勻，最後形成預製複合顆粒。由於複合顆粒內有大量的缺陷和納米微結構。進一步高能球磨時發生固態反應，形成新材料。 ^[5] 

A.G.Merzhanov等發現了自蔓延高温合成（Self-propagatingHigh-temperature Synthesis，SHS）現象。它是利用化學反應產生的反應熱自加熱和自傳導作用合成材料的一種技術。點燃的粉末壓坯產生化學反應，其生成熱使鄰近的粉末温度驟然升高，引發化學反應，並以燃燒波的形式蔓延，通過整個反應物。燃燒波推行前移，反應物轉變成產物。通常反應以氬氣或氮氣為保護氣氛。 ^[5] 

放電等離子燒結（Soark Plasma Sintering，SPS）是利用脈衝大電流直接施加於模具和樣品，從而產生體加熱，使被燒結樣品快速升温，同時脈衝電流引起顆粒間的放電效應，使顆粒局部表面產生高温而熔化，表面物質剝落，淨化了顆粒表面，實現快速燒結。有效地抑制了顆粒長大。 ^[5] 

定向凝固是指在凝固過程採用強制手段，在凝固金屬和未凝固熔體之間建立起沿特定方向的温度梯度，從而使熔體形核後，沿着與熱流相反的方向，按要求的結晶取向進行凝固。定向凝固技術能較好地控制凝固組織的晶粒取向，消除橫向晶界，獲得柱晶或單晶組織，提高材料的縱向力學性能。 ^[5] 

熱壓法（Hot Pressing，HP）和熱等靜壓法（Hot Isostatic Pressing，HIP）是粉末壓制和燒結同時進行的工藝。兩者的基本原理相同，主要區別在於加壓方式的不同。熱壓法是單向或雙向加力，而熱等靜壓法是在試樣各個方向都施加等同的壓力，故能有效消除製品的殘留孔隙，得到接近完全緻密的材料，特別適用於一些不宜壓制和燒結的難熔金屬間化合物。 ^[5] 

縱觀國內外金屬間化合物結構材料領域研究的成果，其表徵主要有一方面：新型材料的發展方面，和有序金屬間化合物物理金屬學理論方面。 ^[8] 

13年來，我國金屬間化合物結構材料研究取得了很大的成績，在幾個重點材料研究領域可以説達到與國外同步的水平，培養了一批高級研究人才，但金屬間化合物理論研究方面的建樹不太突出。 ^[8] 

金屬間化合物具有與原金屬不同的結晶結構和原子結構，能形成新的有序超點陣結構，具有許多與眾不同的性質，而有別於目前廣泛應用的金屬或合金。在近幾十年裏得到了快速發展，應用領域也在逐漸擴大。 ^[5] 

（1）高温應用

金屬間化合物由於具有優於高温合金的耐熱性、高的比強度、高的比壽命、高的導熱性和高的抗氧化性，以及具有優於陶瓷材料的韌性和良好的熱加工性而受到廣泛關注，尤其受到航空部門的青睞。 ^[5] 

（2）電磁應用

金屬間化合物作為電磁材料是功能材料的一個分支，廣泛應用於能源、通訊等領域。製成的磁性元器件具有多種功能，如轉換、傳遞、處理信息和存儲能量等。 ^[5] 

（3）超導材料

限制超導材料廣泛應用的主要問題是超導轉變温度太低，附加的冷卻設備複雜。 ^[9] 

（4）其他應用

用做貯氧材料、牙科材料等。 ^[5]