Аморфни метални сплави. Методи за получаване на аморфни метали Приложение на съвременни твърди и аморфни материали

Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

публикувано на http:// www. всичко най-добро. ru/

Аморфни материали: техните свойства, приложение в съвременните технологии, методи на производство

Завършено:

студент от група 206 HFMM

Дорожкин А.П.

Проверено:

Началник отдел

физическа химия

Томилин О.Б.

Въведение

Дълго време изглеждаше, че най-интересното във физиката е изучаването на микрокосмоса и микрокосмоса. Именно там те се опитаха да намерят отговори на най-важните, фундаментални въпроси, обясняващи структурата на околния свят. И сега се появи трети фронт на изследване - изследването на твърдите тела.

Защо е толкова важно да изучаваме твърди вещества?

Разбира се, практическата човешка дейност играе огромна роля тук. Твърдите тела са метали и диелектрици, без които електротехниката е немислима; те са полупроводници, които са в основата на съвременната електроника, магнити, свръхпроводници и структурни материали. Накратко, може да се твърди, че научният и технологичен прогрес до голяма степен се основава на използването на твърди вещества.

Но не само практическата страна на въпроса е важна при изучаването им. Самата вътрешна логика на развитието на науката - физиката на твърдото тяло - доведе до разбиране на важността на колективните свойства на големите системи.

Твърдото тяло се състои от милиард частици, които взаимодействат една с друга. Това води до появата на определен ред в системата и специални свойства на целия брой микрочастици. По този начин колективните свойства на електроните определят електрическата проводимост на твърдите тела, а способността на тялото да абсорбира топлина - топлинен капацитет - зависи от естеството на колективните вибрации на атомите по време на топлинно движение. Колективните свойства обясняват всички основни модели на поведение на твърдите тела.

Структурата на твърдите тела е разнообразна. Те обаче могат да бъдат разделени на два големи класа: кристали и аморфни твърди вещества.

1. Обща характеристика на аморфните тела

Не всички твърди вещества са кристали. Има много аморфни тела.

Аморфните тела нямат строг ред в подреждането на атомите. Само най-близките съседни атоми са подредени в някакъв ред. Но няма строга насоченост във всички посоки на един и същи структурен елемент, която е характерна за кристалите в аморфните тела.

Често едно и също вещество може да се намери както в кристално, така и в аморфно състояние. Например кварцовият SiO2 може да бъде в кристална или аморфна форма (силициев диоксид). Кристалната форма на кварца може да бъде схематично представена като решетка от правилни шестоъгълници. Аморфната структура на кварца също има вид на решетка, но с неправилна форма. Заедно с шестоъгълниците, той съдържа петоъгълници и седмоъгълници.

През 1959 г. английският физик Д. Бернал провежда интересни експерименти: той взема много малки пластилинови топки с еднакъв размер, овалва ги в тебеширен прах и ги пресова в голяма топка. В резултат на това топките се деформираха в полиедри. Оказа се, че в този случай се образуват предимно петоъгълни лица, а полиедрите имат средно 13,3 лица. Така че определено има някакъв ред в аморфните вещества.

Аморфните тела включват стъкло, смола, колофон, захарни бонбони и др. За разлика от кристалните вещества, аморфните вещества са изотропни, т.е. техните механични, оптични, електрически и други свойства не зависят от посоката. Аморфните тела нямат фиксирана точка на топене: топенето се извършва в определен температурен диапазон. Преходът на аморфно вещество от твърдо в течно състояние не се придружава от рязка промяна на свойствата. Все още не е създаден физически модел на аморфното състояние.

Аморфните твърди вещества заемат междинно положение между кристалните твърди вещества и течностите. Техните атоми или молекули са подредени в относителен ред. Разбирането на структурата на твърдите вещества (кристални и аморфни) ви позволява да създавате материали с желани свойства.

При външни въздействия аморфните тела проявяват както еластични свойства, като твърдите вещества, така и течливост, като течностите. Така при краткотрайни удари (удари) те се държат като твърди тела и при силен удар се разпадат на парчета. Но при много дълга експозиция текат аморфни тела. Нека проследим парче смола, което лежи върху гладка повърхност. Постепенно смолата се разпространява върху него, като колкото по-висока е температурата на смолата, толкова по-бързо става това.

Аморфните тела при ниски температури приличат на твърди вещества по своите свойства. Те почти нямат течливост, но с повишаване на температурата постепенно омекват и свойствата им се доближават все повече до свойствата на течностите. Това се случва, защото с повишаването на температурата прескачането на атомите от една позиция в друга постепенно зачестява. Аморфните тела, за разлика от кристалните, нямат определена телесна температура.

Когато течно вещество се охлажда, то невинаги кристализира. при определени условия може да се образува неравновесно твърдо аморфно (стъклено) състояние. В стъкловидно състояние могат да бъдат прости вещества (въглерод, фосфор, арсен, сяра, селен), оксиди (например бор, силиций, фосфор), халогениди, халкогениди, много органични полимери В това състояние веществото може да бъде стабилно за дълъг период от време, например, някои вулканични стъкла са на милиони години. Физическите и химичните свойства на вещество в стъкловидно аморфно състояние могат да се различават значително от свойствата на кристално вещество. Например стъкловидният германиев диоксид е химически по-активен от кристалния. Разликите в свойствата на течното и твърдото аморфно състояние се определят от естеството на термичното движение на частиците: в аморфно състояние частиците са способни само на осцилаторни и ротационни движения, но не могат да се движат през дебелината на веществото.

Под въздействието на механични натоварвания или температурни промени аморфните тела могат да кристализират. Реактивността на веществата в аморфно състояние е много по-висока, отколкото в кристално състояние. Основната характеристика на аморфното (от гръцки „аморфос“ - безформено) състояние на материята е липсата на атомна или молекулна решетка, тоест триизмерната периодичност на структурата, характерна за кристалното състояние.

Има вещества, които могат да съществуват само в твърда форма в аморфно състояние. Това се отнася до полимери с неправилна последователност от звена.

2. Аморфни метални сплави

Аморфните метални сплави (метални стъкла) са метални твърди вещества, в които няма ред на далечни разстояния в подреждането на атомите. Това им дава редица съществени разлики от обикновените кристални метали.

Аморфните сплави са получени за първи път през 1960 г. от P. Duvez, но техните обширни изследвания и индустриална употреба започват десетилетие по-късно - след изобретяването на метода на предене през 1968 г. Понастоящем са известни няколкостотин системи от аморфизиращи сплави, структурата и свойствата на металните стъкла са проучени достатъчно подробно и обхватът на тяхното приложение в промишлеността се разширява.

2.1 Методи за получаване на аморфни сплави

Свръхвисоките скорости на охлаждане на течен метал за получаване на аморфна структура могат да бъдат реализирани по различни начини. Общото между тях е необходимостта да се осигури скорост на охлаждане от поне 106 градуса/s. Известни са методи за катапултиране на капка върху студена плоча, пръскане на струя с газ или течност, центрофугиране на капка или струя, стапяне на тънък слой от метална повърхност с лазер с бързо отстраняване на топлината от масата на основния метал , свръхбързо охлаждане от газова среда и др. Използването на тези методи дава възможност за получаване на лента с различна ширина и дебелина, тел и прахове.

Най-ефективните методи за промишлено производство на аморфна лента са охлаждане на струя течен метал върху външните (закаляване на диск) или вътрешните (центробежно охлаждане) повърхности на въртящи се барабани или валцуване на стопилката между студени ролки, изработени от материали с висока топлопроводимост.

Фиг. 1. Методи за производство на тънка лента чрез закаляване от стопилка: а) центробежно закаляване; б) закаляване върху диск; в) валцоване на стопилка; г) центробежно закаляване; д) планетарно закаляване

Фигура 1 показва схематични диаграми на тези методи. Получената в индукционна пещ стопилка се изтласква от дюзата от неутрален газ и се втвърдява при контакт с повърхността на въртящо се охлаждано тяло (хладилник). Разликата е, че при методите на центробежно закаляване и дисково охлаждане стопилката се охлажда само от едната страна.

Основният проблем е постигането на достатъчна степен на чистота на външната повърхност, която не влиза в контакт с хладилника. Методът на разтопено валцуване осигурява добро качество и на двете повърхности на лентата, което е особено важно за аморфните ленти, използвани за магнитни записващи глави. Всеки метод има свои собствени ограничения за размера на лентите, тъй като има разлики както в хода на процеса на втвърдяване, така и в хардуерния дизайн на методите. Ако по време на центробежно втвърдяване ширината на лентата е до 5 mm, тогава валцуването произвежда ленти с ширина 10 mm или повече.

Методът на дисково втвърдяване, който изисква по-просто оборудване, позволява ширината на лентата да варира в широк диапазон в зависимост от размера на тигелите за топене. Този метод дава възможност да се произвеждат както тесни ленти с ширина 0,1-0,2 mm, така и широки - до 100 mm, като точността на поддържане на ширината може да бъде ± 3 микрона. Разработват се инсталации с максимален капацитет на тигела до 50 кг. Във всички инсталации за закаляване от течно състояние металът бързо се втвърдява, разстилайки се в тънък слой върху повърхността на въртящ се хладилник. Ако съставът на сплавта е постоянен, скоростта на охлаждане зависи от дебелината на стопилката и характеристиките на хладилника. Дебелината на стопилката върху хладилника се определя от скоростта на нейното въртене и скоростта на потока на стопилката, т.е. зависи от диаметъра на дюзата и налягането на газа върху стопилката. От голямо значение е правилният избор на ъгъла на подаване на стопилката към диска, което ви позволява да увеличите продължителността на контакт на метала с хладилника. Скоростта на охлаждане зависи и от свойствата на самата стопилка: топлопроводимост, топлинен капацитет, вискозитет, плътност.

За получаване на тънка аморфна тел се използват различни методи за изтегляне на влакна от стопилката.

Фиг.2 Методи за производство на тънка тел, закалена от стопилка: а) изтегляне на стопилката през охлаждаща течност (екструзия на стопилка); б) издърпване на конеца от въртящия се барабан; в) изтегляне на стопилката в стъклен капиляр; 1 - стопилка; 2 -- охлаждаща течност; 3 -- стъкло; 4 -- дюза; 5 -- намотаващ проводник

При първия метод (фиг. 2, а) разтопеният метал се изтегля в кръгла тръба през воден разтвор на соли.

Във втория (фиг. 2, b) поток от разтопен метал попада в течност, задържана от центробежна сила върху вътрешната повърхност на въртящ се барабан: след това втвърдената нишка се развива от въртящата се течност. Известен метод се състои в получаване на аморфна тел чрез изтегляне на стопилката възможно най-бързо в стъклен капиляр (фиг. 2, c).

Този метод се нарича още метод на Тейлър. Влакното се получава чрез изтегляне на стопилката едновременно със стъклена тръба, а диаметърът на влакното е 2-5 микрона. Основната трудност тук е отделянето на влакното от покриващото го стъкло, което естествено ограничава състава на аморфизираните по този метод сплави.

2.2 Механични свойства

Първата характеристика на механичните свойства на аморфните сплави, която трябва да се отбележи, е тяхната много висока якост. Както е известно, теоретичната якост, т.е. напрежението, необходимо за разрушаване на всички междуатомни връзки в равнината на счупване, е 1~10E? (E е модулът на Йънг). Силата на истинските метали е с два до три порядъка по-ниска - само силата на мустаците (мустаците) се доближава до теоретичната.

За аморфни сплави също са типични стойности от 0.040.05Ey?… близки до теоретичната якост. Това се дължи, първо, на по-ниските модули на еластичност в сравнение с кристалите, и второ, на специфичните механизми на деформация и счупване. Коефициентът на Поасон на аморфните сплави обикновено е близо до 0,4 - това е междинна стойност между кристалните метали (0,3) и течностите (0,5). Доста неочаквано свойство на аморфните сплави е способността им да се подлагат на пластичен поток. В кристалите, както е известно, пластичното поведение се осигурява от движението на дислокациите. Но в тяло без транслационна симетрия дислокациите в класическия смисъл са невъзможни и би могло да се очаква, че аморфните вещества ще бъдат абсолютно крехки. Неорганичните стъкла се държат по този начин, но в аморфните метали все още има пластична деформация.

Способността за деформиране се свързва, както при кристалите, с пътуващия, ненасочен характер на металната връзка. В този случай е възможно да се реализира високата якост, която е присъща на аморфните тела, при условие че крехкото счупване се потиска при напрежения, по-малки от границата на провлачване. Пластичната деформация на аморфните сплави може да бъде хомогенна, когато всеки елемент от обема се деформира и пробата изпитва равномерна деформация, и нехомогенна, когато пластичният поток е локализиран в тънки ивици на срязване.

Хомогенна деформация възниква при високи температури (близки до температурата на кристализация) и ниски напрежения (0,01Gf<, где G -- модуль сдвига). При этом скорость деформации пропорциональна приложенному напряжению. Вязкость з по мере развития деформации непрерывно растёт, и с повышением температуры этот рост ускоряется по аррениусовскому закону. Степень пластической деформации при гомогенном течении практически неограничена, и при правильно подобранных условиях можно добиться эффекта сверхпластичности с деформацией в сотни процентов. По-видимому, гомогенная деформация происходит за счёт непрерывной релаксации структуры, хотя она может протекать и после предварительного отжига при более высокой температуре.

В резултат на това след хомогенна деформация сплавите обикновено стават рязко крехки. Нехомогенен пластичен поток възниква при ниски температури и високи напрежения (cr0.8TT<0,02Gф>). Той е малко чувствителен към скоростта на натоварване и практически не е придружен от деформационно втвърдяване. За разлика от хомогенната деформация, нехомогенната деформация причинява намаляване на степента на ред в аморфната структура. При нехомогенна деформация потокът се концентрира в ленти на срязване, чийто брой определя пластичността на сплавта. Пластичността варира значително в зависимост от модела на натоварване. При разтягане той обикновено е малък - разрушаването настъпва след деформация от 1...2%, докато при валцуване могат да се постигнат деформации от 50...60%, а при огъване радиусът може да бъде сравним с дебелината на лентата (30...40 микрона).

Счупването на аморфните сплави, подобно на конвенционалните кристални сплави, може да бъде крехко и жилаво. Крехкото счупване възниква чрез разцепване без външни следи от макроскопично течение и по равнини, перпендикулярни на оста на опън. Пластичното счупване възниква след или едновременно с пластичната деформация. Развива се по равнините, където действат максималните тангенциални напрежения. Характерна особеност на пластичното счупване на аморфни сплави е наличието на две зони върху повърхността на счупване: почти гладки зони на разцепване и области, в които се наблюдава система от преплитащи се „вени“ - следи от появата на зони на силно локализиран пластичен поток с дебелина ~0,1 μm.

2.3 Физични свойства

На първо място, трябва да се спрем на магнитните свойства на аморфните сплави. В аморфно състояние, въпреки неподреденото разположение на атомите, може да възникне подредено разположение на магнитните моменти. Следователно много аморфни сплави на основата на желязо, кобалт, никел, както и някои редкоземни метали са феромагнитни. Тяхното поведение е качествено подобно на поведението на кристалните феромагнетици: в тях се появяват магнитни домени, по време на обръщане на намагнитването има хистерезисна верига, има точка на Кюри, над която спонтанното намагнитване изчезва и т.н. В аморфните сплави няма бариери за движението на стените на домейна по време на обръщане на намагнитването, като дислокации или граници на зърната, но местните нехомогенности, магнитострикция от вътрешни напрежения и т.н. могат да действат като бариери. Отгряването под температурата на кристализация, което води до релаксация на аморфната структура и намаляване на вътрешните напрежения, обикновено намалява коерцитивната сила. Въпреки това, в някои случаи, напротив, това може да доведе до разширяване на хистерезисната верига поради стабилизирането на границите на домейна.

Електрическото съпротивление на аморфните сплави е значително по-високо от това на кристалните сплави поради липсата на ред на дълги разстояния. Освен това тяхното електрическо съпротивление варира леко в зависимост от температурата. Има и аморфни свръхпроводници.

2.4 Приложение на аморфни сплави

1. Около 80% от индустриалните аморфни сплави се произвеждат заради техните магнитни свойства. Те се използват като меки магнитни материали, които съчетават изотропни свойства, висока магнитна пропускливост, висока индукция на насищане и ниска коерцитивна сила. Използват се за производство на магнитни екрани, магнитни филтри и сепаратори, сензори, записващи глави и др. Трансформаторните сърцевини, изработени от аморфни сплави, се характеризират с много ниски загуби от обръщане на намагнитването поради тесен контур на хистерезис, както и с високо електрическо съпротивление и малка дебелина, което намалява загубите, свързани с вихрови токове.

Въпреки че аморфните материали са химически по-активни от кристалните материали, ако съдържат хром и други елементи, които допринасят за образуването на пасивиращ филм, те могат да имат изключително висока устойчивост на корозия и да се използват в агресивни среди; например сплавта Fe45Cr25Mo10P13C7 дори превъзхожда тантала по издръжливост. Аморфните сплави се използват и като високоякостни сплави (например, като компонент на композитни материали и дори корд на автомобилни гуми). Някои аморфни сплави проявяват свойства на инвар и елинвар (т.е. имат коефициент на термично разширение, близък до нула, или модули на еластичност, които са слабо зависими от температурата) и могат да се използват в прецизни устройства. И накрая, аморфните сплави се използват за производство на нанокристални материали. Използването на аморфни сплави е затруднено както от технологични ограничения (малка дебелина на получените полуготови продукти, пълна невъзможност за заваряване), така и от ниска стабилност на свойствата - тяхната структура и свойства се променят значително не само при нагряване, но и по време на работа при стайна температура температура.

В района на Челябинск има предприятие, което произвежда аморфни метални сплави в промишлен мащаб - това е Ashinsky Metallurgical Plant OJSC. Първата работа по производството на аморфни сплави започва там през 1984 г., а цехът за производство на аморфна лента (ESPTs-1) е построен през 1989 г.

Аморфната лента се произвежда на агрегати Урал-100 чрез изливане на плоска струя течен метал върху повърхността на въртящ се охладен барабан с диаметър около 1000 mm и ширина 200 mm (виж фиг. 1, а). Получената лента е с ширина от 3 до 80 mm и дебелина 20...30 микрона. Произвеждат се магнитно-меки аморфни сплави на базата на желязо 2NSR, 9KSR, 30KSR и кобалт 71KNSR, 86KGSR, 82K3KHSR, 84KKHSR, както и нанокристална сплав от типа "finmet" 5BDSR. (Обозначенията на елементите в класовете на сплавите са същите като при легираните стомани.) Сплавите се доставят на потребителите както под формата на лента, навита на ролки, така и под формата на готови продукти - магнитни вериги. Освен усукани магнитни вериги, от аморфна лента могат да се изработват магнитни екрани, сърцевини на магнитни сензори и трансформатори, резистивни елементи и др.

Лентата се доставя без термична обработка, но готовите продукти от повечето сплави изискват задължителна термомагнитна обработка (по-рядко термична обработка без магнитно поле) при 400...460 °C за 10...60 минути. Термомагнитната обработка на сплавта 5BDSR, придружена от нанокристализация, се извършва при 520...550 °C. Без термична обработка, само сплав 71KNSR се използва за магнитни екрани. За всяка партида лента се контролира не само химичният състав, но и цял набор от магнитни характеристики след термична (термомагнитна) обработка.

Аморфните елинвари се използват за производството на сеизмични сензори, мембрани за манометър, сензори за скорост, ускорение и момент; пружини на часовникови механизми, везни, циферблатни индикатори и други прецизни пружинни устройства. В Германия е разработена сплав от марката Vitrovac-0080, съдържаща 78% никел, бор и силиций. Сплавта има якост на опън = 2000 MPa, модул на Йънг 1,5*105 MPa, плътност 8 g/cm3, електрическо съпротивление 0,9 Ohm*mm2/m, граница на издръжливост на огъване около 800 MPa въз основа на 107 цикъла. Сплавта се препоръчва за производство на пружини, мембрани и контакти.

Аморфните материали се използват за армиране на тръби за високо налягане, производство на стоманени корди за гуми и др. В бъдеще е възможно използването на аморфни сплави за производство на маховици. Такива маховици могат да се използват за съхраняване на енергия и покриване на пикови натоварвания в електроцентралите, подобряване на работата на превозното средство и т.н.

AMC на основата на желязо се използват като материали за ядрата на високочестотни трансформатори за различни цели, дросели и магнитни усилватели. Това се дължи на ниските общи загуби, които в най-добрите AMS от този клас са с порядък по-ниски, отколкото в силициевите електротехнически стомани.

Fe-Si-B сплави с високо магнитно насищане са предложени да заменят конвенционалната кристална Fe-Si сплав в сърцевините на трансформаторите, както и Ni-Fe сплави с висока пропускливост. Липсата на магнитокристална анизотропия, съчетана с доста високо електрическо съпротивление, намалява загубите от вихрови токове, особено при високи честоти. Загубите в сърцевините, направени от аморфната сплав Fe81B13Si4C2, разработена в Япония, са 0,06 W/kg, т.е. приблизително двадесет пъти по-ниски от загубите в зърнесто ориентираните трансформаторни стоманени листове. Икономиите, дължащи се на намаляването на загубите на енергия от хистерезис при използване на сплав Fe83B15Si2 вместо трансформаторни стомани, ще възлизат на $300 милиона на година само в САЩ. Тази област на приложение на металните стъкла има широка перспектива.

В допълнение към изключително високата първоначална магнитна проницаемост, особено при високи честоти (10 kHz), както и нулевата магнитострикция, металните стъкла на основата на кобалт имат висока твърдост и добри корозионни характеристики, така че се използват като материали за магнитни записващи глави. Сплавта Fe5Co70Si10B15, разработена в Япония, намери висока производителност и широко приложение. Методът на закаляване с ролка произвежда лента с дебелина 50 µm и ширина 15 mm с отлично качество и на двете повърхности (грапавост ± 3 µm). Благодарение на високата плътност на магнитния поток и високата устойчивост на износване, записващите глави, направени от тази лента, имат по-добра цялостна производителност от феритните глави и главите от пермалой. Тези материали се използват в аудио, видео, компютърно и друго записващо оборудване.

Ленти от аморфни кобалтови сплави се използват в сърцевините на малогабаритни високочестотни трансформатори за различни цели, по-специално за вторични захранвания и магнитни усилватели. Те се използват в детектори за течове на ток, телекомуникационни системи и като сензори (включително fluxgate типове), за магнитни екрани и чувствителни към температура сензори, както и високочувствителни магнитни преобразуватели. Високата якост, съчетана с устойчивост на корозия, позволява използването на аморфни сплави за производството на кабели, работещи в контакт с морска вода, както и продукти, чиито условия на работа са свързани с излагане на агресивна среда.

Комбинацията от висока якост, устойчивост на корозия и износване, както и меки магнитни свойства прави възможно и други приложения. Например, възможно е да се използват такива стъкла като индуктори в устройства за магнитно разделяне. Като магнитни екрани са използвани продукти, изтъкани от лента. Предимството на тези материали е, че могат да се режат и огъват в желани форми, без да се нарушават техните магнитни свойства.

Тъй като стъклата са силно преохладени течности, тяхната кристализация при нагряване обикновено протича със силно ядрообразуване, което води до хомогенен, изключително финозърнест метал. Такава кристална фаза не може да бъде получена чрез конвенционални методи на обработка. Това отваря възможността за получаване на специални спойки под формата на тънка лента. Тази лента се огъва лесно и може да се реже и щампова, за да се получи оптимална конфигурация. За запояването е много важно лентата да е хомогенна по състав и да осигурява надежден контакт във всички точки на запояваните продукти. Припоите имат висока устойчивост на корозия. Използват се в авиацията и космическата техника.

В бъдеще е възможно да се получат свръхпроводящи кабели чрез кристализация на първоначалната аморфна фаза.

Известно е също използването на аморфни сплави като катализатори за химични реакции. Например, аморфната Pd - Rh сплав се оказа катализатор за разлагането на NaCl в NaOH и C12, а сплавите на основата на желязо осигуряват по-висок добив (около 80%) в сравнение с железния прах (около 15%) в реакция на синтез

4H2 + 2CO = C2H4 + 2H2O - (12.1)

Аморфните метали често се наричат ​​материали на бъдещето, поради уникалността на техните свойства, които не се срещат в обикновените кристални метали. Информация за основните области на приложение на аморфни метални материали се съдържа в таблица 12.4.

Широкото използване на аморфни метали е възпрепятствано от високата цена, относително ниската термична стабилност, както и малкия размер на получените ленти, проводници и гранули. В допълнение, използването на аморфни сплави в конструкциите е ограничено поради тяхната ниска заваряемост.

3. Аморфни и стъкловидни полупроводникови материали

Аморфни и стъкловидни вещества, проявяващи полупроводникови свойства. Те се характеризират с наличието на близък ред и отсъствието на далечен ред. Стъклообразният полупроводников материал, който може да се разглежда като специален вид аморфно вещество, се характеризира с наличието на пространствена решетка, в която освен ковалентно свързани атоми има полярни групи от йони. В такива материали връзката между групи от атоми и йони се осъществява поради ковалентни ван дер Ваалсови сили с малък обсег. Неорганичните стъкловидни полупроводници проявяват електронна проводимост.

За разлика от кристалните полупроводници, стъкловидните полупроводници нямат примесна проводимост. Примесите в стъкловидните полупроводници влияят на отклонението от стехиометрията и по този начин променят техните електрически свойства. Тези полупроводници са оцветени и непрозрачни в дебели слоеве. Стъклените полупроводникови материали се характеризират с неправилно ориентирана структура и ненаситени химични връзки.

Аморфните и стъкловидните полупроводници според състава и структурата се разделят на оксидни, халкогенидни, органични и тетраедрични.

Оксидните кислородсъдържащи стъкла се получават чрез сливане на метални оксиди с променлива валентност, например V2O5-P2O5-ZnO. Металните оксиди, които образуват тези стъкла, имат едновременно най-малко две различни валентни състояния на един и същ елемент, което определя тяхната електронна проводимост. Безкислородните халкогенидни стъкла се получават чрез сливане на халкогени (S, Se, Te) с елементи от групи III, IV, V на периодичната таблица. Халкогенидните стъкловидни полупроводници се произвеждат главно чрез охлаждане на стопилката или чрез изпаряване във вакуум. Типични представители са арсеновият сулфид и селенид. Те също включват дву- и многокомпонентни стъкловидни сплави на халкогениди (сулфиди, селениди и телуриди) на различни метали (например Ge-S, Ge-Se, As-S, As-Se, Ge-SP, Ge-As-Se , As -S-Se, As-Ge-Se-Te, As-Sb-S-Se, Ge-S-Se, Ge-Pb-S). Халкогенидните стъкла имат висока прозрачност в инфрачервената област на спектъра от 1 до 18 микрона. Аморфните филми от сложни халкогенидни съединения имат голям потенциал за промяна на техните физикохимични свойства.

Аморфните филми от Si, Ge, GaAs и други полупроводникови вещества не представляват практически интерес поради техните свойства. Липсата на ред на дълги разстояния в тези полупроводници и наличието на голям брой дефекти като микропори води до наличието на ненаситени висящи връзки в много атоми. Последствието от това е висока плътност на локализирани състояния (1020 cm-3) в забранената зона. Поради спецификата на процеса на електропроводимост в аморфните полупроводници е почти невъзможно да се контролират електрическите свойства на такива материали.

Въвеждането на водород в аморфни силициеви филми значително променя неговите електрически свойства. Разтваряйки се в аморфен силиций, водородът затваря висящите връзки (насища ги), в резултат на това в такъв „хидрогениран“ материал, наречен Si:H, плътността на състоянията в забранената зона рязко намалява (до 1016-1017 cm-3 ). Такъв материал може да бъде легиран с традиционни донорни (P, As) и акцепторни (B) примеси, което му придава електронен или дупков тип проводимост и създава p-n преходи в него. На базата на силиций са синтезирани серия от хидрогенирани аморфни полупроводници с интересни електрически и оптични свойства Si1-xCx:H, Si1-xGex:H, Si1-xNx:H, Si1-xSnx:H.

Практическите приложения на аморфните и стъкловидните полупроводници са разнообразни. Аморфният силиций се появи като по-евтина алтернатива на монокристалния силиций, например при производството на слънчеви клетки, базирани на него. Оптичната абсорбция на аморфния силиций е 20 пъти по-висока от тази на кристалния силиций. Следователно, за значително поглъщане на видима светлина, -Si:H филм с дебелина 0,5-1,0 μm е достатъчен вместо скъпи 300-μm силициеви субстрати. В сравнение с клетките от поликристален силиций, продуктите на базата на -Si:H се произвеждат при по-ниски температури (300 °C).

Хидрогенираният силиций е отличен материал за създаване на фоточувствителни елементи в ксерографията, сензори за първично изображение (сензори), мишени за видеоконтент за предавателни телевизионни тръби. Оптичните сензори, изработени от хидрогениран аморфен силиций, се използват за запис на видео информация в паметта, за целите на откриването на дефекти в текстилната и металургичната промишленост, в устройствата за автоматична експозиция и контрол на яркостта.

Стъклените полупроводници са фотопроводящи полуизолатори и се използват в електрофотографията, системите за запис на информация и редица други области. Благодарение на своята прозрачност в дълговълновата област на спектъра, халкогенидните стъкловидни полупроводници се използват в оптичната апаратура и др.

4. Общи методи за получаване на аморфни материали

Общите методи за получаване на аморфни материали могат да бъдат изобразени под формата на картина.

аморфен метален кристален физичен

Заключение

Двойната природа на аморфните материали е високо ценена от индустриална гледна точка. Експерименталната и теоретична работа върху аморфните твърди вещества доведе до по-добро разбиране на парадоксалната природа на твърдата структура на тези материали. Също така, защо имаше интерес към аморфните метални сплави? На първо място, защото металните сплави с близък ред в подреждането на атомите все още са много интересни обекти във физиката на кондензираната материя.

През последните години бяха получени важни резултати в изследването на механичните, електрическите и магнитните свойства на аморфните метални материали. Пълното завършване на изследванията на аморфните структури обаче все още предстои. Въпросът за структурата на късия ред в съответствие с реалността изисква недвусмислено решение. Но следващите по ред са аморфните структури, в които няма дори близък ред. Така че изучаването на полезните свойства на аморфните материали продължава и до днес.

Списък на използваната литература

1. А. Уест химия на твърдото тяло, част 2, М.: Мир, 1988 г.

2. Золотухин И.В. Физични свойства на аморфни метални материали. М.: Металургия, 1986. 176 с.

3. Б. В. Некрасов, Основи на общата химия, М.: Химия, 1973 г.

4. Филц А. Аморфни и стъкловидни неорганични вещества / А. Филц. - М.: Мир, 1986. - 556 с.

5. Хени Н. Химия на твърдото тяло / Н. Хени. - М.: Мир, 1971. -223 с.

6. Аморфни метални сплави / V.V. Немошкаленко и др./рес. изд. В.В. Немошкаленко. - Киев: Наукова думка, 1987. - 248 с.

7. Сузуки, К. Аморфни метали / К. Сузуки, Х. Фухимори, К. Хашимото; изд. Ц. Масумото. - М.: Металургия, 1987. - 328 с.

8. Рябов, А.В. Съвременни методи за топене на стомана в дъгови пещи: учебник / A.V. Рябов, И.В. Чуманов, М.В. Шишимиров. - Челябинск: Издателство SUSU, 2007. - 188 с.

9. Уебсайт на OJSC "Asha Metallurgical Plant": http://www.amet.ru.

10. Уебсайт "Уикипедия": http://ru.wikipedia.org

Публикувано на Allbest.ru

Подобни документи

Полимерите като органични и неорганични, аморфни и кристални вещества. Характеристики на структурата на техните молекули. История на термина "полимер" и неговото значение. Класификация на полимерни съединения, примери за техните видове. Приложение в бита и индустрията.

презентация, добавена на 10.11.2010 г


Разнообразие от свойства на полиуретаните (PU). Вариации на полиолни и изоцианатни компоненти. Суровини за производство на полиуретани: изоцианати и многовалентни алкохоли. Методи за синтез на PU бои и лакове и междинни продукти. Съвременни методи за модификация.

резюме, добавено на 30.03.2009 г


Газообразни, кондензирани, течни и аморфни фази на веществата. Описание на структурата на кристалните фази. Граници на устойчивост на кристални структури. Твърди дефекти на тялото. Взаимодействие на точковите дефекти. Методи за получаване на некристални твърди фази.

тест, добавен на 20.08.2015 г


Обща характеристика на нанокомпозитните материали: анализ на метафизичните свойства, основни области на приложение. Разглеждане на характеристиките на метаматериалите, методи за създаване. Въведение във физичните, електронните и фотофизичните свойства на наночастиците.

резюме, добавено на 27.09.2013 г


Историята на създаването и анализът на физикохимичните свойства на бутил каучук - важен материал, който се използва за производството на различни каучукови и други материали в автомобилната и химическата промишленост. Технология за производство на бутилкаучук в суспензия.

резюме, добавено на 21.10.2010 г


Общи методи за физическо модифициране на полимери, за да им се придадат специфични свойства. Термогравиметричен анализ на магнитопласти. Сравнителна характеристика на материали на каолинова основа. Свойства на топлоизолационните материали.

статия, добавена на 26.07.2009 г


Изучаване на физичните и химичните свойства на металите, характеристиките на тяхното взаимодействие с прости и сложни вещества. Ролята на металите в живота на човека и обществото. Разпространение на елементите в природата. Моделът на промените в свойствата на металите в група.

презентация, добавена на 02/08/2013


Изследване на физико-механичните свойства на полимерни смеси. Изучаване на основните методи за формоване на каучукови смеси. Смесване на полимерни материали в стопилка и разтвор. Оборудване за производство на полимерни смеси. Оценка на качеството на смесване.

резюме, добавено на 20.12.2015 г


Структурни характеристики на полиолефините. Сравнителна химическа устойчивост на полиолефини в различни агресивни среди. Изследване на химичните, физичните, термичните, механичните, електрическите свойства на полиолефините. Характеристики и структура на полибутилена.

курсова работа, добавена на 14.01.2012 г


Същност и обща класификация на ГСМ. Характеристики на горива и масла. Оценка на свойствата и обхвата на приложение на гресите. Оптимални условия за съхранение на различни видове горива и смазочни материали. Разработване и прилагане на нови технологии в производството им.

През последните години на 20 век вниманието на физиците и учените по материали беше привлечено от такава кондензирана материя, която се характеризира с неподредено разположение на атомите в пространството. Английският физик Дж. Зиман изразява общия интерес към неподреденото състояние по следния начин: „Неподредените фази на кондензираната материя - стомана и стъкло, земя и вода, макар и без другите елементи, огън и въздух - се срещат несравнимо по-често и в практиката. термините са не по-малко важни от идеализираните монокристали, които не толкова отдавна бяха единствената грижа на физиката на твърдото тяло.

Сред твърдата кондензирана материя, така наречените метални стъкла - аморфни метални сплави (АМА) с неуредено разположение на атомите в пространството - заслужават специално внимание. Доскоро понятието „метал“ се свързваше с понятието „кристал“, чиито атоми са разположени в пространството по строго подреден начин. Въпреки това, в началото на 60-те години. В научния свят се разпространява съобщение, че са получени метални сплави, които нямат кристална структура. Метали и сплави с произволно подреждане на атоми започват да се наричат ​​аморфни метални стъкла, отдавайки почит на аналогията, която съществува между неподредената структура на метална сплав и неорганично стъкло.

Откриването на аморфни метали направи голям принос в науката за металите, променяйки значително нашето разбиране за тях. Оказа се, че аморфните метали са поразително различни по своите свойства от металните кристали, които се характеризират с подредено разположение на атомите.

AMC се получава чрез бързо охлаждане на стопилките при скорости на охлаждане на течния метал от 10 4 –10 6 °C / s и при условие, че сплавта съдържа достатъчно количество аморфизиращи елементи. Аморфизаторите са неметали: бор, фосфор, силиций, въглерод. Съответно аморфните метални сплави се разделят на сплави „метал-неметал“ и „метал-метал“.

Меките магнитни сплави от системата "метал - неметал" са широко използвани в промишлеността. Произвеждат се на базата на феромагнитни метали - желязо, никел, кобалт, като се използват различни комбинации от неметали като аморфизатори.

Структурата на аморфните сплави е подобна на структурата на замръзнала течност. Втвърдяването става толкова бързо, че атомите на веществото са замръзнали в позициите, които са заемали, докато са били в течно състояние. Аморфната структура се характеризира с отсъствието на далечен ред в подреждането на атомите (Фигура 1), поради което няма кристална анизотропия, няма граници на блокове, зърна и други структурни дефекти, характерни за поликристалните сплави.

Снимка 1. Компютърни модели на структурата на далечни (а) и къси (б) поръчки

Последствията от тази аморфна структура са необичайните магнитни, механични, електрически свойства и устойчивост на корозия на аморфните метални сплави. Наред с високата магнитна мекота (нивото на електромагнитни загуби в аморфни сплави с висока магнитна индукция е значително по-ниско, отколкото във всички известни кристални сплави), тези материали показват изключително висока механична твърдост и якост на опън, в някои случаи имат коефициент на топлинно разширение близо до нула, а тяхното електрическо съпротивление е три до четири пъти по-високо от стойността му за желязото и неговите сплави. Някои от аморфните сплави се характеризират с висока устойчивост на корозия.

Втвърдяването с образуването на аморфна структура е принципно възможно за всички метали и сплави. За практически приложения обикновено се използват сплави на преходни метали (Fe, Co, Mn, Cr, Ni и др.), В които се добавят аморфни елементи като B, C, Si, P, S, за да се образува такава аморфна структура аморфните сплави обикновено съдържат около 80% (at.) един или повече преходни метали и 20% металоиди, добавени за образуване и стабилизиране на аморфната структура. Съставът на аморфните сплави е подобен по формулата M 80 X 20, където M е един или повече преходни метали, а X е един или повече аморфизатори. Известни са аморфни сплави, чийто състав съответства на дадената формула: Fe 70 Cr 10 P 15 B 5, Fe 40 Ni 40 Si 14 B 6, Fe 80 P 13 B 7 и др. Аморфизаторите понижават точката на топене и осигуряват доста бързо охлаждане на стопилката под нейната температура на встъкляване, така че да се образува аморфна фаза. Термичната стабилност на аморфните сплави се влияе най-много от силиций и бор; сплавите с бор и въглерод имат най-голяма якост, а устойчивостта на корозия зависи от концентрацията на хром и фосфор.

Аморфните сплави са в термодинамично неравновесно състояние. Поради своята аморфност, металните стъкла имат свойства, присъщи на неметалните стъкла: при нагряване те претърпяват структурна релаксация, девитрификация и кристализация. Следователно, за стабилна работа на продукти, изработени от аморфни сплави, е необходимо тяхната температура да не надвишава определена работна температура, определена за всяка сплав.

2. Методи за получаване на аморфни сплави

Свръхвисоките скорости на охлаждане на течен метал за получаване на аморфна структура се реализират по различни начини. Общото между тях е да осигурят скорост на охлаждане от поне 10 6 °C/s.

Има различни методи за производство на аморфни сплави: катапултиране на капка върху студена плоча, пръскане на струя с газ или течност, центрофугиране на капка или струя, стапяне на тънък филм от металната повърхност с лазер с бързо отстраняване на топлината от масата на основния метал, свръхбързо охлаждане от газова среда и др.

Използването на тези методи дава възможност да се получат ленти с различна дебелина, тел и прахове.

Получаване на лентата. Най-ефективните методи за промишлено производство на аморфна лента са охлаждане на струя течен метал върху външните (закаляване на диск) или вътрешните (центробежно охлаждане) повърхности на въртящи се барабани или валцуване на стопилката между студени ролки, изработени от материали с висока топлопроводимост.

Фигура 2 показва схематични диаграми на тези методи. Получената в индукционна пещ стопилка се изтласква от дюзата от неутрален газ и се втвърдява при контакт с повърхността на въртящо се охлаждано тяло (хладилник). Разликата е, че при методите на центробежно закаляване и дисково охлаждане стопилката се охлажда само от едната страна. Основният проблем е постигането на достатъчна степен на чистота на външната повърхност, която не влиза в контакт с хладилника. Методът на разтопено валцуване осигурява добро качество и на двете повърхности на лентата, което е особено важно за аморфните ленти, използвани за магнитни записващи глави. Всеки метод има свои собствени ограничения за размера на лентите, тъй като има разлики както в процеса на втвърдяване, така и в използваното оборудване. Ако по време на центробежно втвърдяване ширината на лентата е до 5 mm, тогава валцуването произвежда ленти с ширина 10 mm или повече. Методът на дисково втвърдяване, който изисква по-просто оборудване, позволява ширината на лентата да варира в широк диапазон в зависимост от размера на тигелите за топене. Този метод дава възможност да се произвеждат както тесни ленти с ширина 0,1–0,2 mm, така и широки - до 100 mm, като точността на ширината може да бъде ±3 микрона. Разработват се инсталации с максимален капацитет на тигела до 50 kg.

Фигура 2: а - центробежно закаляване; б - втвърдяване на диска; c - валцуване на стопилка; g - центробежно втвърдяване; d - планетарно втвърдяване

Във всички инсталации за охлаждане металът бързо се втвърдява от течно състояние, разпространявайки се в тънък слой върху повърхността на въртящ се хладилник. Ако съставът на сплавта е постоянен, скоростта на охлаждане зависи от дебелината на стопилката и характеристиките на хладилника. Дебелината на стопилката върху хладилника се определя от скоростта на нейното въртене и скоростта на потока на стопилката, т.е. зависи от диаметъра на дюзата и налягането на газа върху стопилката. От голямо значение е правилният избор на ъгъла на подаване на стопилката към диска, което ви позволява да увеличите продължителността на контакт на метала с хладилника. Скоростта на охлаждане зависи и от свойствата на самата стопилка: топлопроводимост, топлинен капацитет, вискозитет, плътност.

Приемна тел. За получаване на тънка аморфна тел се използват различни методи за изтегляне на влакна от стопилката (Фигура 3).

Фигура 3: a - изтегляне на стопилката през охлаждащата течност (екструзия на стопилка); b - издърпване на конеца от въртящия се барабан; c - изтегляне на стопилката в стъклен капиляр; 1 - стопилка; 2 - охлаждаща течност; 3 - стъкло; 4 - дюза; 5 - намотаващ проводник

Първият метод (Фигура 3, а) - разтопен метал се изтегля в кръгла тръба през воден разтвор на соли. Вторият метод (Фигура 3, b) - поток от разтопен метал попада в течност, задържана от центробежна сила върху вътрешната повърхност на въртящ се барабан: след това втвърдената нишка се развива от въртящата се течност. Известен метод се състои в производството на аморфна тел чрез изтегляне на стопилката възможно най-бързо в стъклен капиляр (Фигура 3, c). Този метод се нарича метод на Тейлър. Влакното се получава чрез изтегляне на стопилката едновременно със стъклена тръба, а диаметърът на влакното е 2–5 микрона. Основната трудност е отделянето на влакното от стъклото, което го покрива, което естествено ограничава състава на сплавите, аморфизирани по този метод.

Приготвяне на прахове. За да произвеждате прахове от аморфни сплави, можете да използвате методите и оборудването, използвани за производството на конвенционални метални прахове.

Фигура 4 схематично показва няколко метода, които правят възможно получаването на аморфни прахове в големи количества. Сред тях трябва да се отбележат методите за пръскане (Фигура 4, а), които са се доказали.

Фигура 4: а - метод на пръскане (метод на пръскане); b - метод на кавитация; c - метод за пръскане на стопилката с въртящ се диск; 1 - прах; 2 - суровина; 3 - дюза; 4 - охлаждаща течност; 5 - охладена плоча

Известно е получаването на аморфни прахове по метода на кавитация, който се осъществява чрез валцуване на стопилката на ролки, и по метода на разпръскване на стопилката с въртящ се диск. При кавитационния метод (Фигура 4, b) разтопеният метал се изстисква в пролуката между две ролки (0,2–0,5 mm), направени например от графит или борен нитрид. Възниква кавитация - стопилката се изхвърля от ролки под формата на прах, който пада върху охладена плоча или в охлаждащ воден разтвор. В междината между ролките възниква кавитация, в резултат на което газовите мехурчета, присъстващи в метала, изчезват. Методът на пръскане с въртящ се диск (Фигура 4, c) е по принцип подобен на описания по-горе метод за производство на тънка тел, но тук разтопеният метал, влизащ в течността, се разпръсква поради турбулентното му движение. По този метод се получава прах под формата на гранули с диаметър около 100 микрона.

3. Маркировка, свойства и приложение на аморфните сплави

Маркирането на аморфни сплави се извършва в съответствие с TU 14-1-4972-91, като се използва буквено-цифрова нотационна система. Елементите се обозначават с букви от руската азбука по същия начин, както е предвидено за стомани. Цифрите преди буквеното обозначение на даден елемент показват средното му съдържание в сплавта. Съдържанието на силиций и бор не е посочено в обозначението на марката, общото им съдържание като аморфизиращи елементи е 20–25% (ат.).

Химическият състав на аморфните сплави също се обозначава със символи на химични елементи с цифрови индекси, които показват съдържанието на даден елемент (% (at.)), например Fe 31 B 14 Si 4 C 2. Сплавите, произведени в индустриален мащаб, се наричат ​​Metglas в САЩ, Vitrovac в Германия и Amomet в Япония. Към тези имена се добавя кодов номер.

Поради металния характер на връзката много свойства на металните стъкла се различават значително от свойствата на неметалните стъкла. Те включват вискозния характер на разрушаване, висока електрическа и топлопроводимост и оптични характеристики.

Плътността на аморфните сплави е само с 1–2% по-малка от плътността на съответните кристални тела. Металните стъкла имат плътно опакована структура, много различна от по-рехавата структура на неметалните стъкла с насочени връзки.

Аморфните метали са материали с висока якост. Наред с висока якост, те се характеризират с добра пластичност при натиск (до 50%) и огъване. При стайна температура аморфните сплави се валцуват студено в тънко фолио. Ивица от аморфна сплав Ni 49 Fe 29 P 14 B 6 A 12 с дебелина 25 микрона може да се огъне около върха на бръснарско ножче без образуване на микропукнатини. При разтягане обаче относителното им удължение е не повече от 1–2%. Това се обяснява с факта, че пластичната деформация се извършва в тясно (10–40 nm) локализирани ленти на срязване, а отвъд тези ленти деформацията практически не се развива, което води до ниски стойности на макроскопична пластичност на опън. Границата на провлачане на аморфните сплави Fe 40 Ni 40 P 14 B 6, Fe 80 B 20, Fe 60 Cr 6 Mo 6 B 28 е съответно 2400, 3600, 4500 MPa, а границата на провлачане на стоманите с висока якост обикновено е не повече от 2 500 MPa.

Аморфните сплави се характеризират с ясна линейна връзка между твърдост и якост. За сплави на основата на Fe, Ni и Co е валиден изразът HV = 3,2 σ t, което дава възможност да се използват показанията на твърдостера с достатъчна точност за определяне на якостните характеристики. Енергията на счупване и якостта на удар на аморфните сплави също значително надвишава тези характеристики на конвенционалните кристални материали - стомани и сплави и още повече неорганични стъкла. Естеството на счупването показва пластично счупване на метални стъкла. Това може да се дължи на адиабатното им нагряване в резултат на пластична деформация.

Аморфни структурни сплави . AMC имат ценен набор от механични свойства. На първо място, тяхната характеристика е комбинацията от висока твърдост и здравина. Твърдостта HV може да достигне стойности над 1000, а якостта - 4000 MPa и по-висока. Например сплавта Fe 46 Cr 16 Mo 20 C 18 има твърдост HV 1150 с якост 4000 MPa; сплав Co 34 Cr 28 Mo 20 C 18 - съответно 1400 и 4100 MPa.

Аморфните структурни сплави се характеризират с висока еластична деформация - около 2%, ниска пластичност - δ = 0,03–0,3%. Въпреки това, сплавите не могат да бъдат класифицирани като крехки материали, тъй като те могат да бъдат щамповани, нарязани и валцовани. Сплавите се поддават добре на студено валцуване с намаление от 30–50% и изтегляне с намаление до 90%.

Механичните свойства на някои аморфни сплави са дадени в таблица 1.

Маса 1 - Механични свойства на аморфни метални сплави

* При - 269 °C.

Наред с високите механични свойства, аморфните структурни сплави имат добра устойчивост на корозия. Възможността за използване на аморфни структурни сплави е ограничена от сравнително ниската температура (Tcryst) на прехода им в кристално състояние при нагряване, наличието на крехкост при отпускане, която възниква при краткотрайно нагряване до температури, значително по-ниски от Tcryst, както и от фактът, че гамата от произвеждани материали е ограничена. Произвеждат се само тънки ленти, фолио и конци. Масивни заготовки и продукти могат да бъдат получени с помощта на методите на праховата металургия. Въпреки това, обичайната технология - синтероване на прахови заготовки - е неприемлива поради ниската термична стабилност на аморфните материали. Експериментално, проби от аморфни прахове се приготвят чрез експлозивно пресоване.

Срокът на експлоатация на аморфната сплав зависи от работната температура. Термичната устойчивост на аморфните сплави е ниска. Съществуват обаче материали с Tcryst над 725 °C. Те включват по-специално сплавта Ti 40 Ni 40 Si 20 с високи механични свойства: HV 1070, σ in = 3450 MPa и специфична якост σ in /(ρg) = 58 km (ρ - плътност; g - ускорение на свободно падане) .

Високоякостните AMC прежди могат да се използват в композитни материали, а лентите могат да се използват като намотки за укрепване на съдове под налягане.

Аморфните метални сплави са обещаващи материали за производството на еластични елементи. Заслужава внимание сплавта Ti 40 Be 40 Zr 10, която има висока устойчивост на релаксация и еластичен запас от енергия. Ефективната сила на пружините, направени от тази сплав, е с порядък по-висока от пружините, направени от конвенционални поликристални метали.

Липсата на граници на зърното, висока твърдост, устойчивост на износване и устойчивост на корозия на аморфните сплави позволяват да се произвеждат от тях висококачествени инструменти с тънки ръбове, като например бръснарски ножчета.

Аморфизирането на повърхностните слоеве на продуктите чрез лазерна обработка (с цел повишаване на тяхната твърдост) може да се конкурира с традиционните методи за повърхностно закаляване. Този метод по-специално повишава повърхностната твърдост на монокристалната сплав Ni 60 Nb 40 с порядък (HV 1050) и постига твърдост HV 1200 на повърхността на чугунени продукти със състав: 3,20% C ; 2,60% Si; 0,64% Mn, 0,06% R.

Магнитно-меки и магнитно-твърди аморфни сплави . Аморфните меки магнитни сплави се използват в електронни продукти. Според химичния си състав сплавите се делят на три системи: на желязна основа, желязо-никелова, желязо-кобалтова. Разработени са голям брой състави от аморфни метални материали, но сплави с ограничен диапазон се произвеждат в експериментални и пилотни партиди.

AMS на основата на желязохарактеризиращ се с висока индукция на насищане (1,5–1,8 T). В това отношение те са на второ място след електротехническите стомани и желязо-кобалтовите сплави. Използването на AMS в силови трансформатори е обещаващо. Това обаче изисква промяна в технологията на производство на трансформатора (навиване на лента върху трансформаторни бобини, отгряване в магнитно поле и в инертна среда, специални условия за запечатване и импрегниране на сърцевините). Тази група AMS включва сплави: Metglas 2605 (Fe 80 B 20), Amomet (Fe 78 Si 10 B 12), Amomet (Fe 82 Si 8 B 10), Amomet (Fe 81 B 13 Si 4 C 2), Metglas 26055C ( Fe 81 B 13 Si 13,5 C 1,5), 9ZhSR-A и др.

Желязо-никел AMSимат висока магнитна пропускливост; по отношение на индукцията на насищане те са сравними с метални магнитни сплави и ферити, имат ниска коерцитивна сила и висока правоъгълност на хистерезисната верига. AMC се използват за производството на трансформатори и електромагнитни устройства, работещи на по-високи честоти, което позволява намаляване на размерите на продуктите. Тази група AMS включва сплави: Metglas 2826 (Fe 40 Ni 40 P 14 B 6), Metglas 2826 MB (Fe 40 Ni 38 Mo 4 B 19), Amomet (Fe 32 Ni 16 Si 18 B 14), N25-A, 10NSR и т.н.

Силно пропускливи желязо-кобалтови аморфни метални сплавиможе да замени пермалой с висока индукция в електронното оборудване, превъзхождайки последния в някои свойства и технологичност. Ленти от аморфни кобалтови сплави се използват в сърцевините на малки високочестотни трансформатори за различни цели, по-специално за вторични захранвания и магнитни усилватели. Те се използват в детектори за утечки на ток, телекомуникационни системи и като сензори (включително fluxgate тип), за магнитни екрани и чувствителни към температура сензори, както и високочувствителни модулационни магнитни преобразуватели.

Сплавите се използват за магнитни глави, използвани за записване и възпроизвеждане на информация. Поради тяхната повишена устойчивост на абразия и високи магнитни свойства в полета с ниска интензивност, сплавите на основата на кобалт превъзхождат по редица параметри меките магнитни материали, които традиционно се използват за тези цели. Тази група AMS включва сплави: Amomet (Fe 5 Co 70 Si 10 B 15), Amomet (Fe 5 Co 60 Cr 9 Si 5 B 15), K83-A, K25-A, 24KSR, 71KNSR, 45NPR-A и др. .

По метода на катодното разпрашване са получени аморфни филми от твърдата магнитна сплав SmCo 5 с магнитна енергия 120 kT·A/m, които могат да се използват за производството на малогабаритни постоянни магнити за различни цели.

Инварови аморфни сплави. Някои AMC на основата на желязо (93ZhKhR-A, 96ZhR-A) имат нисък коефициент на линейно разширение α в определени температурни диапазони< 10 -6 (°С) -1 . При комнатной температуре их свойства близки к свойствам поликристаллического сплава 36Н. Они сохраняют низкое значение α вплоть до температуры 250–300 °С, в то время как сплав 36Н - до 100 °С.

Резистивни аморфни сплави имат високо електрическо съпротивление. От тях се правят микропроводници в стъклена изолация. AMS (Ni–Si–B системи) се сравняват благоприятно по свойства с кристалните сплави. Те имат порядък по-нисък термичен коефициент на електрическо съпротивление и 1,5 пъти по-голямо електрическо съпротивление. Сплавите са парамагнитни, устойчиви на корозия, имат линейна температурна зависимост на ЕДС и относително висока температура на кристализация. Липсата на магнитокристална анизотропия, съчетана с доста високо електрическо съпротивление, намалява загубите от вихрови токове, особено при високи честоти. Загубите в сърцевините, направени от аморфната сплав Fe 81 B 13 Si 4 C 2, разработена в Япония, са 0,06 W/kg, т.е. приблизително двадесет пъти по-ниски от загубите в зърнесто ориентирани трансформаторни стоманени листове. Икономиите, дължащи се на намаляване на загубите на енергия от хистерезис при използване на сплав Fe 83 B 15 Si 2 вместо трансформаторни стомани, възлизат на 300 милиона долара годишно само в САЩ. Те могат да се използват не само за производството на прецизни резистори, но и за тензодатчици при измерване на деформации и микропремествания и др. Сплавите от тази група включват: Ni 68 Si l5 B l7, Ni 68 Si 10 B 22, Ni 67 Si 4 B 29 , Ni 67 Si 7 B 26, Ni 68 Si l2 B 20, Cu 77 Ag 8 P 15, Cu 79 Ag 6 P 15, Cu 50 Ag 6 P 14 и др.

Перспективни области на приложение на AMS. Комбинацията от висока якост, устойчивост на корозия и износване, както и меки магнитни свойства показва възможността за разнообразни приложения. Например, възможно е да се използват такива стъкла като индуктори в устройства за магнитно разделяне. Като магнитни екрани са използвани продукти, изтъкани от лента. Предимството на тези материали е, че могат да се режат и огъват в желани форми, без да се нарушават техните магнитни свойства.

Известно е използването на аморфни сплави като катализатори за химични реакции. Например, аморфна Pd-Rb сплав се оказа катализатор за реакцията на разлагане на NaCl (aq) в NaOH и Cl 2, а сплавите на основата на желязо осигуряват по-висок добив (около 80%) в сравнение с железния прах (около 15%) в реакцията на 4H синтез 2 + 2CO = C 2 H 4 + 2 H 2 O.

Тъй като стъклата са силно преохладени течности, тяхната кристализация при нагряване обикновено протича със силно ядрообразуване, което води до хомогенен, изключително финозърнест метал. Такава кристална фаза не може да бъде получена чрез конвенционални методи на обработка. Това отваря възможността за получаване на специални спойки под формата на тънка лента. Тази лента се огъва лесно и може да се реже и щампова, за да се получи оптимална конфигурация. За запояването е много важно лентата да е хомогенна по състав и да осигурява надежден контакт във всички точки на запояваните продукти. Припоите имат висока устойчивост на корозия. Използват се в авиацията и космическата техника.

В бъдеще е възможно да се получат свръхпроводящи кабели чрез кристализация на първоначалната аморфна фаза.

Аморфните желязо-никелови сплави, съдържащи хром, предлагат необичайно висока устойчивост на корозия в голямо разнообразие от корозивни среди.

Фигура 5 показва скоростите на корозия на кристални проби от хромирани стомани и аморфни сплави Fe 80-x Cr x P 13 C 7, определени от загубата на тегло на пробите, съхранявани в концентриран разтвор на NaCl. Устойчивостта на корозия на сплавите със съдържание на хром над 8% (ат.) е с няколко порядъка по-висока от тази на класическите неръждаеми стомани.

Фигура 5. Ефект на съдържанието на хром върху скоростта на корозия на аморфната сплав Fe 80-x Cr x P 13 C 7 (1) и кристалните Fe–Cr (2) и NaCl при 30 °C

Аморфна сплав, която не съдържа хром, корозира по-бързо от кристалното желязо, но (с увеличаване на съдържанието на хром), скоростта на корозия на аморфната сплав намалява рязко и при съдържание от 8% (at.) Cr вече не се открива от микровезните след излагане в продължение на 168 часа.

Аморфните сплави практически не са подложени на точкова корозия дори в случай на анодна поляризация в солна киселина.

Високата устойчивост на корозия се дължи на образуването на пасивиращи филми върху повърхността, които имат високи защитни свойства, висока степен на равномерност и бързо образуване. В допълнение към хрома, въвеждането на фосфор спомага за повишаване на устойчивостта на корозия. Филмът от кристални стомани с високо съдържание на хром винаги съдържа микропори, които с течение на времето се трансформират в джобове на корозия. Върху аморфни сплави, съдържащи известно количество хром и фосфор, дори при 1 N може да се образува пасивиращ филм с висока степен на хомогенност. разтвор на HCl. Образуването на хомогенен пасивиращ филм се осигурява от химическата и структурна хомогенност на аморфната фаза, лишена от кристални дефекти (утайки от излишна фаза, образувания на сегрегация и граници на зърната).

Сплав Fe 45 Cr 25 Mo 10 P 13 C 7, пасивиращ дори в такъв концентриран разтвор като 12 N. Разтвор на HCl при 60 °C, почти не корозира. Тази сплав превъзхожда танталовия метал по своята устойчивост на корозия.

Аморфните метали често се наричат ​​материали на бъдещето, поради уникалността на техните свойства, които не се срещат в обикновените кристални метали (Таблица 2).

Таблица 2 - Свойства и основни области на приложение на аморфните метални материали

Широкото разпространение на аморфни метали е възпрепятствано от високата цена, относително ниската термична стабилност, както и малкия размер на получените ленти, проводници и гранули. В допълнение, използването на аморфни сплави в конструкциите е ограничено поради тяхната ниска заваряемост.

Въз основа на относителното разположение на атомите и молекулите, материалите могат да бъдат кристални или аморфни. Нееднаквата структура на кристалните и аморфните вещества определя и разликата в техните свойства. Аморфните вещества, които имат неизразходвана вътрешна енергия на кристализация, са химически по-активни от кристалните със същия състав (например аморфни форми на силициев диоксид: пемза, триполит, диатомити в сравнение с кристален кварц).

Съществена разлика между аморфните и кристалните вещества е, че кристалните вещества при нагряване (при постоянно налягане) имат определена точка на топене. А аморфните омекват и постепенно преминават в течно състояние. Силата на аморфните вещества, като правило, е по-ниска от кристалните, следователно, за да се получат материали с повишена якост, кристализацията се извършва специално, например при производството на стъкло-кристален материал - стъклокерамика.

Различни свойства могат да се наблюдават в кристални материали с еднакъв състав, ако те са образувани в различни кристални форми, наречени модификации (феноменът на полиморфизма). Например, полиморфните трансформации на кварца са придружени от промяна в обема. Промяната на свойствата на материала чрез промяна на кристалната решетка се използва при топлинна обработка на метали (закаляване или темпериране).

-Влиянието на състава и структурата на материалите върху техните свойства. Видове конструкции от строителни материали.

Свойствата на строителните материали до голяма степен са свързани с особеностите на тяхната структура и със свойствата на веществата, от които се състои материалът. От своя страна структурата на материала зависи: за естествените материали - от техния произход и условията на образуване, за изкуствените - от технологията на производство и обработка на материала. Следователно, когато изучава курс по строителни материали, строителят трябва преди всичко да разбере тази връзка. В същото време технологията и обработката на материалите трябва да се разглеждат от гледна точка на тяхното влияние върху структурата и свойствата на получения материал.

Строителните материали се характеризират с химичен, минерален и фазов състав.

В зависимост от химичния състав всички строителни материали се делят на: органични (дърво, битум, пластмаси и др.), минерални (бетон, цимент, тухли, естествен камък и др.) и метали (стомана, чугун, алуминий). Всяка от тези групи има свои собствени характеристики. По този начин всички органични материали са запалими, а минералните материали са огнеустойчиви; металите провеждат добре електричество и топлина. Химическият състав ни позволява да преценим други технически характеристики (биостабилност, издръжливост и др.). Химическият състав на някои материали (неорганични свързващи вещества, каменни материали) често се изразява чрез броя на оксидите, които съдържат.

Химически свързаните един с друг оксиди образуват минерали, които характеризират минералния състав на материала. Познавайки минералите и тяхното количество в материала, можете да прецените свойствата на материала. Например, способността на неорганичните свързващи вещества да се втвърдяват и поддържат здравина във водна среда се дължи на наличието в тях на силикатни минерали, алуминати и калциеви ферити, а с голямо количество от тях процесът на втвърдяване се ускорява и силата на циментовия камък се увеличава.

При характеризиране на фазовия състав на материала се разграничават: твърди вещества, образуващи стени на порите („рамка“ на материала), и пори, пълни с въздух и вода. Фазовият състав на материала и фазовите преходи на водата в неговите пори оказват влияние върху всички свойства и поведение на материала по време на работа.

Не по-малко влияние върху свойствата на материала оказват неговата макро- и микроструктура и вътрешната структура на веществата, които изграждат материала на молекулярно-йонно ниво.

Макроструктурата на материала е структура, видима с просто око или с леко увеличение. Микроструктурата на материала е структурата, видима под микроскоп. Вътрешната структура на растението се изследва с помощта на рентгенова дифракция, електронна микроскопия и др.

В много отношения свойствата на материала определят броя, размера и естеството на порите. Например порестото стъкло (пеностъкло), за разлика от обикновеното стъкло, е непрозрачно и много леко.

Формата и размерът на твърдите частици също оказват влияние върху свойствата на материала. Така че, ако издърпате тънки влакна от стопилка на обикновено стъкло, получавате лека и мека стъклена вата.

В зависимост от формата и големината на частиците и тяхната структура макроструктурата на твърдите строителни материали бива зърнеста (рохкаво-зърнеста или конгломератна), клетъчна (финопореста), влакнеста и слоеста.

Насипнозърнестите материали се състоят от отделни зърна, които не са свързани помежду си (пясък, чакъл, прахообразни материали за мастика за изолация и засипка и др.).

Конгломератната структура, когато зърната са здраво свързани помежду си, е характерна за различни видове бетон, някои видове естествени и керамични материали и др.

Клетъчната (финопореста) структура се характеризира с наличието на макро- и микропори, характерни за газ и пенобетон, клетъчни пластмаси и някои керамични материали.

Влакнестите и слоестите материали, в които влакната (слоевете) са разположени успоредно едно на друго, имат различни свойства по протежение и напречно на влакната (слоевете). Това явление се нарича анизотропия, а материалите с такива свойства са анизотропни. Влакнестата структура е присъща на продуктите от дърво и минерална вата, а слоестата структура е присъща на ролкови, листови и плочести материали със слоест пълнител (хартиена пластмаса, текстолит и др.).

3.1. Аморфни материали. Металните материали са едно-двойни или поликристални сплави. Стомана, чугун, дуралуминий, месинг и др. хората го използват от дълго време, но само нови материали могат да задоволят нови нужди. Основата на материалите често е същата като тази на поликристалните материали, но приготвени по различна технология, те придобиват нови свойства. Сега ще разгледаме някои технологии

За да се получи аморфен материал от газовата фаза, е необходимо кинетичната енергия на отложения атом да не надвишава енергията на свързване на атомите върху субстрата. Атомите с ниска подвижност се поставят върху субстрата произволно и следователно без структура. Подвижните атоми биха могли да се движат и да създадат по-енергийно благоприятна структура. Предимства: висока скорост на охлаждане, което осигурява запазване на аморфното състояние. Недостатъци: ниска скорост на растеж на аморфния слой, изискване за висок вакуум и възможността атомите от евакуираната атмосфера да попаднат върху субстрата. Специфични технологии: Термично изпаряване във вакуум Лазерно или електронно лъчево изпарение Плазмено изпаряване Катодно разпрашване Плазмохимия, т.е. разлагане в тлеещ разряд Получаване от газовата фаза

Аморфните вещества се получават чрез реакции на утаяване от разтвор. Ако условията се променят много бързо, тогава кристалната структура може да няма време да се организира и ще бъде аморфна. Методи: Изпаряване. Добавяне на утаители, например, към полярен разтворител - неполярен, или към неполярен - полярен. Електролитно отлагане. Тук към електролитната вана се добавя фосфор или бор. Те насърчават образуването на некристални метали. Термично разлагане на гела. Приготвяне от разтвори.

Приготвяне от кристалната фаза 1. Най-тривиалното нещо е бързото загряване и бързо охлаждане. Или други силни влияния, при които атомите могат да напуснат своите равновесни позиции. 2. Реакции в твърда фаза. 3. Силни механични въздействия, например в планетарна или вибрационна мелница, когато механичното разстройство на повърхността може да се разпространи дълбоко в материала. Например дислокациите, които са толкова много, че няма смисъл да се говори за кристален материал. 4. Облъчване на повърхността с неутрони или бомбардиране с йони (например йонна имплантация). Въздействие на ударна вълна.

Получаване от стопилка За получаване на стъкла от стопилка е необходим висок вискозитет. Както обсъдихме по-рано, кристализацията възниква чрез образуването и растежа на ядрата на нова фаза. Ако вискозитетът е висок, молекулите изискват значително време за изграждане на кристали. Ако го охладите бързо, кристалната структура няма време да се подреди. Пример със силициев диоксид SiO 2. Топилка 1722 C, стъкло T 1222 C, вискозитет при стопяване 1 MPa.s. (Кислород, сяра, селен-халкогени). Халкогенидни стъкла - съединения с други елементи. Типични състави: Ge S, Ge Se, As S, As Se, Ge SP, Ge As Se, Ge Se Te, As Se Te, Ge As Se Te и др. Високият вискозитет прави съединенията аморфни или стъкловидни.

Метални стъкла Металните стъкла се произвеждат чрез: свръхбързо темпериране; много бързо охлаждане; газово пръскане К/с; Центрофугиране Дисперсия Охлаждането в газ е бавно, в течност до 10 5 K/s, върху метал – до 10 8 K/s. Шприцоване, плазмено пръскане, леене на цилиндри, леене в центрофуга, въртящ се цилиндър във вана. Навиване между две рула. Всмукване в капиляр под вакуум, пресоване през матрица с охлаждане в черупката. Методи за заваряване чрез лазерно облъчване, с искра с високо напрежение, газоразряд, електронен лъч - до K/S

Наноматериали Нанонаука, нанотехнологии, наноструктурирани материали и предмети. Те определят приоритетните области на научната и технологична политика в развитите страни. Така в САЩ има програма, наречена Национална инициатива за нанотехнологии (бюджет ~500 милиона долара). Европейският съюз наскоро прие Шестата научна рамкова програма, в която нанотехнологиите заемат водеща позиция. Министерството на промишлеността и науката на Руската федерация и Руската академия на науките също имат списъци с приоритетни, пробивни технологии с префикс нано-. Сегашната ситуация в много отношения е подобна на тази, която предшества тоталната компютърна революция, но последствията от нанотехнологичната революция ще бъдат още по-големи.

Основи на нанотехнологиите нано, преведено като джудже Обхватът на нано-обектите - от отделни атоми (R

Съотношението на "повърхностните" и "обемните" атоми Фракцията на атомите a, разположени в тънък близък до повърхността слой (~1 nm), се увеличава с намаляване на размера на частиците R, тъй като a ~ S/V ~ R 2 /R 3 ~ 1/ R (тук S е повърхността на частицата, V е нейният обем). Добре известно е, че повърхностните атоми имат свойства, които се различават от тези на обемните атоми, тъй като те са свързани със своите съседи по различен начин, отколкото в обема. Повърхностният слой може да се разглежда като ново състояние на материята.

Обяснения към предишния слайд Примери за специфичното поведение на материята на субмикронно ниво и основните причини за спецификата на нанообектите. 1 - колебателен характер на промяната в свойствата, 2 - нарастване на характеристиката с насищане, 3 - нарастване на характеристиката с максимум. И накрая, ако даден обект има атомен мащаб в една, две или три посоки, неговите свойства могат рязко да се различават от свойствата на обема за същия материал поради проявата на квантови закони в поведението

Биофизици създадоха наноелектронно устройство, базирано на една органична молекула В държавния университет на Аризона те създадоха електронно устройство, състоящо се от една органична молекула. Веригата от седем анилинови фрагмента се държи като отрицателен диференциален резистор. Резултатът от работата на биофизиците може да се използва в наноелектрониката.

Какво и как се получават Високоякостни нанокристални и аморфни материали, тънкослойни и хетероструктурни компоненти на микроелектрониката и оптотрониката от ново поколение, меки и твърди магнитни материали, нанопорести материали за химическата и нефтохимическата промишленост, интегрирани микроелектромеханични устройства, горивни клетки, електрически батерии и други преобразуватели на енергия, биосъвместими тъкани за трансплантация, лекарствени средства.

Очите и пръстите на нанотехнологиите Сонда, добре заточена игла с радиус на върха ~10 nm) и сканиращ механизъм, способен да я движи по повърхността на пробата в три измерения. Грубото позициониране се извършва с помощта на триосни моторизирани маси. Финото сканиране се осъществява с помощта на трикоординатни пиезо задвижващи механизми, които правят възможно преместването на иглата или пробата с точност до фракции от ангстрьом с десетки микрометри в x и y и с единици микрометри в z.

Понастоящем известни методи са сканираща тунелна микроскопия; в него се прилага малко напрежение (~ V) между електропроводимия връх и пробата и се записва токът в междината в зависимост от свойствата и разположението на атомите върху повърхността на изследваната проба; – атомно-силова микроскопия; той записва промените в силата на привличане на иглата към повърхността от точка до точка. Иглата е разположена в края на конзолна греда (конзола), която има известна твърдост и е способна да се огъва под въздействието на малки сили, които възникват между изследваната повърхност и върха на върха. Деформацията на конзолата се записва чрез отклонение на лазерен лъч, падащ върху задната му повърхност, или чрез използване на пиезорезистивен ефект, който възниква в самата конзола; – оптична микроскопия в близко поле; в него сондата е оптичен вълновод (влакно), стесняващ се в края, обърнат към пробата до диаметър, по-малък от дължината на вълната на светлината.
какво предстои Първата стъпка в тази посока е създаването на микро-нано-електромеханични системи (MEMS/NEMS). Наноточките, нанокантилевърите и просто нанопроводниците могат да бъдат много чувствителни и селективни сензори, разположени на един и същи чип с електрониката. Към тях могат да се добавят нано помпи и резултатът ще бъде аналитична химическа лаборатория, разположена на плоча с площ от ~1 cm2. Вече има анализатори за бойни отровни вещества, биологични оръжия, изкуствен нос и изкуствен език. за сертифициране на хранителни продукти (вина, сирена, плодове, зеленчуци).

Военни приложения Министерството на отбраната на САЩ например финансира програма за създаване на Smart dust - интелигентен прах, т.е. голямо семейство микророботи, с размерите на прашинка, които, разпръснати над територията на врага, могат да проникват през всички пукнатини и комуникационни канали, да създават собствена мрежа, да събират и предават оперативна информация, да провеждат специални операции и т.н.

Медицина Има и по-хуманистични проекти: да се създадат специални лекари микророботи, които да съчетават функциите на диагностик, терапевт и хирург, движейки се през човешката кръвоносна, лимфна или друга система. Вече са произведени образци на такива роботи, които имат всички функционални компоненти и размери около 1 mm (в момента, 2008 г. - 0,2 mm), и има реална перспектива за намаляване на размерите им до микронно и субмикронно ниво.

Производството на аморфни метали е възможно чрез раздробяване на първоначалното кристално тяло до получаване на аморфна структура (пътят „отгоре надолу“). Пътят включва нарушаване на правилното подреждане на атомите в кристално тяло в резултат на външни влияния върху кристала и превръщането на твърдо кристално тяло в аморфно твърдо вещество.

Към днешна дата са известни няколко технически метода за реализиране на тези пътища (фиг. 1). Тъй като аморфният метал от термодинамична гледна точка е изключително неравновесна система с голям излишък на енергия, неговото производство, за разлика от производството на кристален метал, изисква неравновесни процеси. На тази фигура равновесните процеси на фазови трансформации на метала са представени с плътни стрелки, а неравновесните процеси на получаване на аморфен метал са представени с пунктирани стрелки.

Фиг. 1. Методи за постигане на равновесни и неравновесни състояния на металите

Както следва от горната диаграма, термодинамично неравновесен аморфен (и нанокристален) метал може да се получи от всяка равновесна фаза:

кондензация от газовата фаза. С известни уговорки в тази група могат да бъдат включени и методите за електролитно отлагане на аморфни филми от електролитни разтвори;

аморфизация на кристалното състояние чрез въвеждане на голям брой дефекти в кристалите;

закаляване на течното състояние от метална стопилка.

Първите два метода за получаване на аморфни метали - от газова фаза и кристални метали - се появяват през първата половина на миналия век и се използват сравнително дълго време, но не са свързани с металургичните технологии.

1.1.Метод за електролитно отлагане на аморфни филми от електролитни разтвори

По-специално, методът на вакуумно отлагане, базиран на принципа на натрупване на атом в атом, се използва за получаване на ултратънки (10-1...101 nm) филми. Металът се нагрява във вакуум при налягане 10-3...10-9 Pa (за предпочитане при минимално възможно остатъчно налягане). В този случай отделните атоми се изпаряват от повърхността на стопилката. Атомите, движещи се праволинейно във вакуум, се отлагат върху масивна охладена плоча-подложка. В резултат на кондензацията на единични атоми тяхната излишна енергия има време да се абсорбира от субстрата със скорост, съответстваща на скорост на охлаждане 109...1013 K/s и достатъчна за получаване на аморфно състояние на чистите метали. В този случай, за да се получат аморфни филми от чисти преходни метали, субстратът трябва да се охлади до температурата на течен хелий.

Методът на вакуумно отлагане произвежда аморфни филми от желязо, никел, кобалт, манган, хром, алуминий, ванадий, паладий, цирконий, хафний, рений, борий, тантал, волфрам, молибден, телур, антимон, гадолиний, арсен и други елементи. Температурата на кристализация и термичната стабилност на напръсканите филми зависи от тяхната дебелина. По този начин филм от желязо с дебелина 2,5 nm кристализира вече при 50...60 K, а с дебелина на филма 15 nm изобщо не е възможно да се получи желязо в аморфно състояние.

Недостатък на метода е, че атомите на остатъчните газове, присъстващи в атмосферата на камерата за разпрашаване, кондензират върху субстрата едновременно с атомите на напръскания метал. Следователно съставът и свойствата на напръскания филм зависят от степента на разреждане и състава на остатъчните газове.