金属互化物：定义、特性与应用

金属互化物：定义、特性与应用

金属互化物是一类特殊的金属合金，由两种或多种金属元素形成有序固态化合物。它们具有独特的物理和化学性质，在材料科学领域有着广泛的应用。本文将详细介绍金属互化物的定义、分类、特性及应用。

金属互化物

金属间化合物（也称为金属间化合物、金属间合金、有序金属间合金和长程有序合金）是一种在两种或多种金属元素之间形成有序固态化合物的金属合金。金属互化物一般硬而脆，具有良好的高温力学性能。 它们可分为化学计量或非化学计量的金属间化合物。

虽然金属间化合物这个术语，因为它适用于固相，已经使用了很多年，但它的引入令人遗憾，例如 Hume-Rothery 在 1955 年。

定义

研究定义

Schulze 在 1967 年将金属间化合物定义为含有两种或多种金属元素以及任选一种或多种非金属元素的固相，其晶体结构不同于其他成分。 根据该定义，包括以下内容：

• 电子（或 Hume-Rothery）化合物
• 尺寸包装阶段。 例如 Laves 阶段、Frank–Kasper 阶段和 Nowotny 阶段
• Zintl 阶段

金属的定义包括：

• 后过渡金属，即铝、镓、铟、铊、锡、铅和铋。
• 准金属，例如 硅、锗、砷、锑和碲。

金属和间隙化合物（如碳化物和氮化物）的均质和非均质固溶体不在此定义范围内。 然而，间隙金属间化合物包括在内，金属间化合物与金属的合金也是如此。

常用

通常使用的研究定义，包括后过渡金属和类金属，扩展到包括渗碳体、Fe3C 等化合物。 这些化合物，有时称为填隙化合物，可以是化学计量的，并且具有与上面定义的金属间化合物相似的性质。

配合物

术语金属间化合物用于描述包含两种或多种金属的化合物，例如环戊二烯基络合物 Cp6Ni2Zn4。

B2

B2 金属间化合物具有相等数量的两种金属（例如铝和铁）的原子，排列成两个互穿的组分金属的简单立方晶格。

特性与应用

金属互化物化合物在室温下一般很脆，熔点高。 由于塑性变形所需的独立滑移系统有限，解理或晶间断裂模式是典型的金属间化合物。 然而，也有一些具有延性断裂模式的金属间化合物的例子，例如 Nb-15Al-40Ti。 其他金属间化合物可以通过与其他元素形成合金以增加晶界内聚力而表现出改善的延展性。 将其他材料（例如硼）合金化以提高晶界内聚力可以提高许多金属间化合物的延展性。 当硬度和/或耐高温性重要到足以牺牲一些韧性和易加工性时，它们通常会在陶瓷和金属性能之间做出折衷。 它们还可以显示出理想的磁性、超导和化学特性，这分别归功于它们强大的内部秩序和混合（金属和共价/离子）键合。 金属互化物引发了各种新型材料的开发。 一些例子包括镍氢电池中的铝镍钴和储氢材料。 Ni3Al（熟悉的镍基超级合金中的硬化相）和各种钛铝化物也引起了涡轮叶片应用的兴趣，而后者也少量用于钛合金的晶粒细化。 硅化物，包括硅的金属间化合物，被用作微电子学中的阻挡层和接触层。

例子

• 磁性材料，例如 铝镍钴、铁硅铝、Permendur、FeCo、Terfenol-D
• 超导体，例如 A15 相，铌锡
• 氢储存，例如 AB5化合物（镍氢电池）
• 形状记忆合金，例如 Cu-Al-Ni（Cu3Al和镍的合金）、镍钛诺（NiTi）
• 涂层材料，例如 镍铝
• 高温结构材料，例如 铝化镍，Ni3Al
  
• 牙科汞合金，是金属间化合物 Ag3Sn 和 Cu3Sn 的合金
• 用于微电子的栅极接触/势垒层，例如 TiSi2
• Laves 相 (AB2)，例如 MgCu2、MgZn2 和 MgNi2。

金属间化合物的形成会引起问题。 例如，金和铝的金属间化合物可能是半导体器件和其他微电子器件中引线键合失败的重要原因。 金属间化合物的管理是电子元件之间焊点可靠性的主要问题。

金属相互作用粒子

金属互化物颗粒通常在金属合金凝固过程中形成，可用作弥散强化机制。