Amorficzne stopy metali. Metody otrzymywania metali amorficznych. Zastosowanie nowoczesnych materiałów stałych i amorficznych
Wyślij swoją dobrą pracę do bazy wiedzy jest prosta. Skorzystaj z poniższego formularza
Studenci, doktoranci, młodzi naukowcy, którzy wykorzystują bazę wiedzy w swoich studiach i pracy, będą Państwu bardzo wdzięczni.
Wysłany dnia http:// www. wszystkiego najlepszego. ru/
Materiały amorficzne: ich właściwości, zastosowanie w nowoczesnych technologiach, metody wytwarzania
Zakończony:
uczennica grupy 206 HFMM
Dorozhkin A.P.
Sprawdzony:
Kierownik działu
Chemia fizyczna
Tomilin O.B.
Wstęp
Przez długi czas wydawało się, że najciekawszą rzeczą w fizyce jest badanie mikrokosmosu i mikrokosmosu. To właśnie tam próbowano znaleźć odpowiedzi na najważniejsze, fundamentalne pytania wyjaśniające strukturę otaczającego świata. A teraz wyłonił się trzeci front badań – badania ciał stałych.
Dlaczego badanie ciał stałych jest tak ważne?
Oczywiście ogromną rolę odgrywa tu praktyczna działalność człowieka. Ciała stałe to metale i dielektryki, bez których elektrotechnika nie jest możliwa; są to półprzewodniki stanowiące podstawę współczesnej elektroniki, magnesów, nadprzewodników i materiałów konstrukcyjnych. W skrócie można stwierdzić, że postęp naukowy i technologiczny w dużej mierze opiera się na wykorzystaniu ciał stałych.
Ale przy ich studiowaniu ważna jest nie tylko praktyczna strona zagadnienia. Bardzo wewnętrzna logika rozwoju nauki - fizyka ciała stałego - doprowadziła do zrozumienia znaczenia zbiorowych właściwości dużych układów.
Ciało stałe składa się z miliarda cząstek, które oddziałują ze sobą. Powoduje to pojawienie się w układzie pewnego porządku i specjalnych właściwości całej liczby mikrocząstek. Zatem zbiorowe właściwości elektronów determinują przewodność elektryczną ciał stałych, a zdolność ciała do pochłaniania ciepła - pojemność cieplna - zależy od charakteru zbiorowych drgań atomów podczas ruchu termicznego. Właściwości zbiorowe wyjaśniają wszystkie podstawowe wzorce zachowania ciał stałych.
Struktura ciał stałych jest zróżnicowana. Można je jednak podzielić na dwie duże klasy: kryształy i amorficzne ciała stałe.
1. Ogólna charakterystyka ciał amorficznych
Nie wszystkie ciała stałe są kryształami. Istnieje wiele ciał amorficznych.
Ciała amorficzne nie mają ścisłego porządku w rozmieszczeniu atomów. Tylko najbliższe sąsiednie atomy są ułożone w jakiejś kolejności. Ale nie ma ścisłej kierunkowości we wszystkich kierunkach tego samego elementu strukturalnego, co jest charakterystyczne dla kryształów w ciałach amorficznych.
Często tę samą substancję można znaleźć zarówno w stanie krystalicznym, jak i amorficznym. Na przykład kwarc SiO2 może występować w postaci krystalicznej lub amorficznej (krzemionka). Krystaliczną postać kwarcu można schematycznie przedstawić jako siatkę regularnych sześciokątów. Amorficzna struktura kwarcu również ma wygląd siatki, ale ma nieregularny kształt. Oprócz sześciokątów zawiera pięciokąty i siedmioboki.
W 1959 roku angielski fizyk D. Bernal przeprowadził ciekawe eksperymenty: wziął wiele małych kulek plasteliny tej samej wielkości, zwinął je w proszek kredowy i sprasował w dużą kulkę. W rezultacie kulki zostały zdeformowane w wielościany. Okazało się, że w tym przypadku ukształtowały się przeważnie ściany pięciokątne, a wielościany miały średnio 13,3 ścian. Zatem w substancjach amorficznych z pewnością panuje pewien porządek.
Ciała amorficzne obejmują szkło, żywicę, kalafonię, cukier cukierkowy itp. W przeciwieństwie do substancji krystalicznych, substancje amorficzne są izotropowe, to znaczy ich właściwości mechaniczne, optyczne, elektryczne i inne nie zależą od kierunku. Ciała amorficzne nie mają ustalonej temperatury topnienia: topnienie następuje w określonym zakresie temperatur. Przejściu substancji amorficznej ze stanu stałego w ciekły nie towarzyszy nagła zmiana właściwości. Nie stworzono jeszcze modelu fizycznego stanu amorficznego.
Amorficzne ciała stałe zajmują pozycję pośrednią pomiędzy krystalicznymi ciałami stałymi a cieczami. Ich atomy lub cząsteczki są ułożone we względnej kolejności. Zrozumienie budowy ciał stałych (krystalicznych i amorficznych) pozwala na tworzenie materiałów o pożądanych właściwościach.
Pod wpływem czynników zewnętrznych ciała amorficzne wykazują zarówno właściwości elastyczne, jak ciała stałe, jak i płynność, jak ciecze. Tym samym pod wpływem krótkotrwałych uderzeń (uderzeń) zachowują się jak ciała stałe i pod silnym uderzeniem rozpadają się na kawałki. Ale przy bardzo długim czasie naświetlania płyną ciała amorficzne. Podążajmy za kawałkiem żywicy leżącym na gładkiej powierzchni. Stopniowo żywica rozprzestrzenia się na nim, a im wyższa jest temperatura żywicy, tym szybciej to się dzieje.
Ciała amorficzne w niskich temperaturach przypominają ciała stałe swoimi właściwościami. Nie mają prawie żadnej płynności, ale wraz ze wzrostem temperatury stopniowo miękną, a ich właściwości coraz bardziej zbliżają się do właściwości cieczy. Dzieje się tak, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury skoki atomów z jednej pozycji do drugiej stają się coraz częstsze. Ciała amorficzne w odróżnieniu od krystalicznych nie mają określonej temperatury ciała.
Kiedy substancja ciekła jest schładzana, nie zawsze krystalizuje. w pewnych warunkach może powstać nierównowagowy stały stan amorficzny (szklisty). W stanie szklistym mogą występować proste substancje (węgiel, fosfor, arsen, siarka, selen), tlenki (np. bor, krzem, fosfor), halogenki, chalkogenki, wiele polimerów organicznych.W tym stanie substancja może być stabilna na przykład przez długi okres czasu niektóre szyby wulkaniczne mają miliony lat. Właściwości fizyczne i chemiczne substancji w szklistym stanie amorficznym mogą znacznie różnić się od właściwości substancji krystalicznej. Na przykład szklisty dwutlenek germanu jest chemicznie bardziej aktywny niż krystaliczny. Różnice we właściwościach ciekłego i stałego stanu amorficznego są określone przez charakter termicznego ruchu cząstek: w stanie amorficznym cząstki są zdolne jedynie do ruchów oscylacyjnych i obrotowych, ale nie mogą poruszać się w substancji.
Pod wpływem obciążeń mechanicznych lub zmian temperatury ciała amorficzne mogą krystalizować. Reaktywność substancji w stanie amorficznym jest znacznie wyższa niż w stanie krystalicznym. Główną cechą amorficznego (od greckiego „amorphos” - bezkształtny) stanu materii jest brak sieci atomowej lub molekularnej, to znaczy trójwymiarowa okresowość struktury charakterystyczna dla stanu krystalicznego.
Istnieją substancje, które mogą istnieć tylko w postaci stałej w stanie amorficznym. Dotyczy to polimerów o nieregularnej kolejności jednostek.
2. Amorficzne stopy metali
Amorficzne stopy metali (szkła metaliczne) to metaliczne ciała stałe, w których nie ma uporządkowania dalekiego zasięgu w rozmieszczeniu atomów. Daje im to szereg znaczących różnic w stosunku do zwykłych metali krystalicznych.
Stopy amorficzne zostały po raz pierwszy otrzymane w 1960 roku przez P. Duveza, jednak ich szerokie badania i zastosowanie przemysłowe rozpoczęły się dekadę później – po wynalezieniu metody przędzenia w 1968 roku. Obecnie znanych jest kilkaset układów stopów amorfizujących, dostatecznie szczegółowo zbadano strukturę i właściwości szkieł metalicznych, a zakres ich zastosowań w przemyśle stale się poszerza.
2.1 Metody wytwarzania stopów amorficznych
Ultrawysokie szybkości chłodzenia ciekłego metalu w celu uzyskania struktury amorficznej można realizować na różne sposoby. Łączy je konieczność zapewnienia szybkości chłodzenia wynoszącej co najmniej 106 stopni/s. Znane są metody katapultowania kropli na zimną płytę, rozpylania strumienia gazem lub cieczą, odwirowywania kropli lub strumienia, topienia cienkiej warstwy powierzchni metalu za pomocą lasera z szybkim odprowadzeniem ciepła przez masę metalu nieszlachetnego , ultraszybkie chłodzenie z ośrodka gazowego itp. Zastosowanie tych metod pozwala na otrzymanie taśm o różnej szerokości i grubości, drutu oraz proszków.
Najbardziej efektywnymi metodami przemysłowej produkcji taśm amorficznych jest chłodzenie strumienia ciekłego metalu na zewnętrznych (hartowanie tarczowe) lub wewnętrznych (hartowanie odśrodkowe) powierzchniach obracających się bębnów lub walcowanie stopu pomiędzy zimnymi walcami wykonanymi z materiałów o dużej przewodności cieplnej.
Ryc.1. Metody wytwarzania cienkiej taśmy poprzez utwardzanie ze stopu: a) hartowanie odśrodkowe; b) hartowanie na dysku; c) walcowanie stopu; d) hartowanie odśrodkowe; e) hartowanie planetarne
Rysunek 1 przedstawia schematyczne diagramy tych metod. Stop uzyskany w piecu indukcyjnym jest wyciskany z dyszy przez gaz obojętny i krzepnie w kontakcie z powierzchnią wirującego chłodzonego korpusu (lodówki). Różnica polega na tym, że w metodach hartowania odśrodkowego i hartowania tarczowego stop jest chłodzony tylko z jednej strony.
Głównym problemem jest uzyskanie odpowiedniego stopnia czystości powierzchni zewnętrznej, która nie ma kontaktu z lodówką. Metoda walcowania w stanie stopionym pozwala uzyskać dobrą jakość na obu powierzchniach taśmy, co jest szczególnie ważne w przypadku taśm amorficznych stosowanych w magnetycznych głowicach rejestrujących. Każda metoda ma swoje własne ograniczenia dotyczące rozmiaru taśm, ponieważ istnieją różnice zarówno w przebiegu procesu krzepnięcia, jak i w konstrukcji sprzętu metod. Jeżeli podczas hartowania odśrodkowego szerokość taśmy wynosi do 5 mm, to podczas walcowania powstają taśmy o szerokości 10 mm lub większej.
Metoda hartowania tarczowego, wymagająca prostszego sprzętu, pozwala na zmianę szerokości taśmy w szerokim zakresie w zależności od wielkości tygli do topienia. Metoda ta pozwala na produkcję zarówno taśm wąskich o szerokości 0,1-0,2 mm, jak i szerokich - do 100 mm, a dokładność zachowania szerokości może wynosić ± 3 mikrony. Rozwijane są instalacje o maksymalnej nośności tygla do 50 kg.We wszystkich instalacjach do hartowania ze stanu ciekłego metal szybko krzepnie, rozprowadzając cienką warstwą po powierzchni obrotowej lodówki. Jeśli skład stopu jest stały, szybkość chłodzenia zależy od grubości stopu i właściwości lodówki. Grubość wytopu na lodówce zależy od prędkości jego obrotu i natężenia przepływu wytopu, tj. zależy od średnicy dyszy i ciśnienia gazu na stopie. Duże znaczenie ma właściwy dobór kąta dostarczania stopu do dysku, co pozwala wydłużyć czas kontaktu metalu z lodówką. Szybkość chłodzenia zależy również od właściwości samego stopu: przewodności cieplnej, pojemności cieplnej, lepkości, gęstości.
Aby otrzymać cienki drut amorficzny, stosuje się różne metody wyciągania włókien ze stopu.
Rys.2 Metody wytwarzania cienkiego drutu utwardzanego ze stopu: a) przeciąganie stopu przez ciecz chłodzącą (wytłaczanie stopu); b) wyciąganie nici z obracającego się bębna; c) wyciąganie stopu w szklanej kapilarze; 1 - stopić; 2 - płyn chłodzący; 3 - szkło; 4 - dysza; 5 - drut nawojowy
W pierwszej metodzie (ryc. 2, a) stopiony metal jest wyciągany w okrągłej rurze przez wodny roztwór soli.
W drugim (ryc. 2, b) strumień stopionego metalu wpada do cieczy utrzymywanej przez siłę odśrodkową na wewnętrznej powierzchni obracającego się bębna: zastygła nić jest następnie odwijana z obracającej się cieczy. Znana metoda polega na otrzymywaniu drutu amorficznego poprzez możliwie najszybsze przeciągnięcie stopu w szklanej kapilarze (rys. 2, c).
Metoda ta nazywana jest także metodą Taylora. Włókno uzyskuje się przez jednoczesne wyciąganie stopu szklaną rurką, a średnica włókna wynosi 2-5 mikronów. Główną trudnością jest tu oddzielenie włókna od pokrywającego je szkła, co w naturalny sposób ogranicza skład stopów amorfizowanych tą metodą.
2.2 Właściwości mechaniczne
Pierwszą cechą właściwości mechanicznych stopów amorficznych, na którą należy zwrócić uwagę, jest ich bardzo duża wytrzymałość. Jak wiadomo, wytrzymałość teoretyczna, czyli naprężenie wymagane do zerwania wszystkich wiązań międzyatomowych w płaszczyźnie pęknięcia, wynosi 1~10E? (E jest modułem Younga). Siła prawdziwych metali jest o dwa do trzech rzędów wielkości niższa - tylko siła wąsów (wąsów) zbliża się do teoretycznej.
Dla stopów amorficznych typowe są również wartości 0,040,05Ey?… zbliżone do wytrzymałości teoretycznej. Wynika to po pierwsze z niższych modułów sprężystości w porównaniu do kryształów, a po drugie ze specyficznych mechanizmów deformacji i pękania. Współczynnik Poissona dla stopów amorficznych jest zwykle bliski 0,4 - jest to wartość pośrednia między metalami krystalicznymi (0,3) a cieczami (0,5). Dość nieoczekiwaną właściwością stopów amorficznych jest ich zdolność do płynięcia plastycznego. Jak wiadomo, w kryształach zachowanie plastyczne zapewnia ruch dyslokacji. Jednak w ciele bez symetrii translacyjnej dyslokacje w klasycznym sensie są niemożliwe i można by się spodziewać, że substancje amorficzne będą całkowicie kruche. Szkła nieorganiczne zachowują się w ten sposób, ale w metalach amorficznych nadal występuje odkształcenie plastyczne.
Zdolność do odkształcania się, podobnie jak w przypadku kryształów, jest związana z wędrownym, bezkierunkowym charakterem wiązania metalicznego. W tym przypadku możliwe jest osiągnięcie wysokiej wytrzymałości właściwej ciałom amorficznym, pod warunkiem, że kruche pękanie zostanie stłumione przy naprężeniach mniejszych niż granica plastyczności. Odkształcenie plastyczne stopów amorficznych może być jednorodne, gdy odkształca się każdy element objętości i próbka ulega równomiernemu odkształceniu, oraz niejednorodne, gdy płynięcie plastyczne zlokalizowane jest w cienkich pasmach ścinania.
Jednorodne odkształcenie zachodzi w wysokich temperaturach (zbliżonych do temperatury krystalizacji) i niskich naprężeniach (0,01 Gf<, 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.
W rezultacie po jednorodnym odkształceniu stopy zwykle stają się ostro kruche. Niejednorodne płynięcie plastyczne występuje w niskich temperaturach i dużych naprężeniach (cr0,8TT<0,02Gф>). Jest mało wrażliwy na prędkość obciążenia i praktycznie nie towarzyszy mu umocnienie odkształceniowe. W przeciwieństwie do odkształcenia jednorodnego, odkształcenie niejednorodne powoduje zmniejszenie stopnia uporządkowania struktury amorficznej. Podczas niejednorodnego odkształcenia przepływ koncentruje się w pasmach ścinania, których liczba decyduje o plastyczności stopu. Plastyczność różni się znacznie w zależności od wzoru obciążenia. Przy rozciąganiu jest on zwykle niewielki - zniszczenie następuje już po odkształceniu 1...2%, podczas walcowania można uzyskać odkształcenia rzędu 50...60%, a przy zginaniu promień może być porównywalny z grubością taśma (30...40 mikronów).
Pękanie stopów amorficznych, takich jak konwencjonalne stopy krystaliczne, może być kruche i wytrzymałe. Kruche pękanie następuje poprzez rozszczepienie bez zewnętrznych śladów makroskopowego przepływu i w płaszczyznach prostopadłych do osi rozciągania. Pękanie plastyczne następuje po lub jednocześnie z odkształceniem plastycznym. Rozwija się wzdłuż płaszczyzn, w których działają maksymalne naprężenia styczne. Charakterystyczną cechą pękania plastycznego stopów amorficznych jest obecność dwóch stref na powierzchni pęknięcia: prawie gładkich obszarów łupania oraz obszarów, w których obserwuje się układ przeplatających się „żyłek” – ślady powstawania obszarów silnie zlokalizowanego płynięcia plastycznego o grubości ~0,1 µm.
2.3 Właściwości fizyczne
Przede wszystkim powinniśmy zastanowić się nad właściwościami magnetycznymi stopów amorficznych. W stanie amorficznym, pomimo nieuporządkowanego ułożenia atomów, może powstać uporządkowany układ momentów magnetycznych. Dlatego wiele stopów amorficznych na bazie żelaza, kobaltu, niklu, a także niektórych metali ziem rzadkich jest ferromagnetycznych. Ich zachowanie jest jakościowo podobne do zachowania ferromagnetyków krystalicznych: pojawiają się w nich domeny magnetyczne, podczas odwrócenia namagnesowania powstaje pętla histerezy, istnieje punkt Curie, powyżej którego zanika samoistne namagnesowanie itp. W stopach amorficznych nie ma przeszkód dla ruchu ścian domen podczas odwrócenia namagnesowania, takich jak dyslokacje lub granice ziaren, jednakże lokalne niejednorodności, magnetostrykcja spowodowana naprężeniami wewnętrznymi itp. mogą działać jako bariery. Wyżarzanie poniżej temperatury krystalizacji, prowadzące do relaksacji struktury amorficznej i zmniejszenia naprężeń wewnętrznych, zwykle zmniejsza siłę koercyjną. Jednak w niektórych przypadkach wręcz przeciwnie, może to prowadzić do rozszerzenia pętli histerezy na skutek stabilizacji granic domen.
Opór elektryczny stopów amorficznych jest znacznie wyższy niż stopów krystalicznych ze względu na brak uporządkowania dalekiego zasięgu. Ponadto ich opór elektryczny zmienia się nieznacznie w zależności od temperatury. Istnieją również nadprzewodniki amorficzne.
2.4 Zastosowanie stopów amorficznych
1. Około 80% przemysłowych stopów amorficznych produkuje się ze względu na ich właściwości magnetyczne. Stosowane są jako miękkie materiały magnetyczne, które łączą właściwości izotropowe, wysoką przenikalność magnetyczną, wysoką indukcję nasycenia i niską siłę koercji. Stosowane są do produkcji ekranów magnetycznych, filtrów i separatorów magnetycznych, czujników, głowic rejestrujących itp. Rdzenie transformatorów wykonane ze stopów amorficznych charakteryzują się bardzo niskimi stratami na odwrócenie magnesowania ze względu na wąską pętlę histerezy, a także dużą rezystancją elektryczną i małą grubością, co zmniejsza straty związane z prądami wirowymi.
Chociaż materiały amorficzne są chemicznie bardziej aktywne niż krystaliczne, jeśli zawierają chrom i inne pierwiastki przyczyniające się do tworzenia filmu pasywującego, mogą mieć wyjątkowo wysoką odporność na korozję i być stosowane w agresywnych środowiskach; na przykład stop Fe45Cr25Mo10P13C7 jest nawet lepszy od tantalu pod względem trwałości. Stopy amorficzne stosowane są także jako stopy o dużej wytrzymałości (np. jako składnik materiałów kompozytowych, a nawet kordu samochodowego). Niektóre stopy amorficzne wykazują właściwości inwaru i elinwaru (to znaczy mają współczynnik rozszerzalności cieplnej bliski zeru lub moduły sprężystości słabo zależne od temperatury) i mogą być stosowane w urządzeniach precyzyjnych. Wreszcie stopy amorficzne są wykorzystywane do produkcji materiałów nanokrystalicznych. Stosowanie stopów amorficznych utrudniają zarówno ograniczenia technologiczne (mała grubość powstałych półproduktów, całkowita niezdolność do spawania), jak i niska stabilność właściwości - ich struktura i właściwości zmieniają się znacząco nie tylko po podgrzaniu, ale także podczas pracy w temperaturze pokojowej temperatura.
W obwodzie czelabińskim znajduje się przedsiębiorstwo produkujące amorficzne stopy metali na skalę przemysłową - jest to Ashinsky Metallurgical Plant OJSC. Pierwsze prace nad produkcją stopów amorficznych rozpoczęto tam w 1984 roku, a w 1989 roku wybudowano warsztat do produkcji taśm amorficznych (ESPT-1).
Taśma amorficzna jest wytwarzana na jednostkach Ural-100 poprzez odlewanie płaskiego strumienia ciekłego metalu na powierzchnię obracającego się chłodzonego bębna o średnicy około 1000 mm i szerokości 200 mm (patrz ryc. 1, a). Powstała taśma ma szerokość od 3 do 80 mm i grubość 20...30 mikronów. Produkowane są miękkie magnetyczne stopy amorficzne na bazie żelaza 2NSR, 9KSR, 30KSR i kobaltu 71KNSR, 86KGSR, 82K3KHSR, 84KKHSR, a także stop nanokrystaliczny typu „finmet” 5BDSR. (Oznaczenia pierwiastków w gatunkach stopowych są takie same jak w przypadku stali stopowych.) Stopy dostarczane są konsumentom zarówno w postaci taśm zwiniętych w rolki, jak i w postaci gotowych wyrobów - obwodów magnetycznych. Oprócz skręconych obwodów magnetycznych, z taśmy amorficznej można wykonać ekrany magnetyczne, rdzenie czujników magnetycznych i transformatorów, elementy rezystancyjne itp.
Taśma dostarczana jest bez obróbki cieplnej, jednakże gotowe wyroby z większości stopów wymagają obowiązkowej obróbki termomagnetycznej (rzadziej obróbki cieplnej bez pola magnetycznego) w temperaturze 400...460°C przez 10...60 minut. Obróbkę termomagnetyczną stopu 5BDSR połączoną z nanokrystalizacją przeprowadza się w temperaturze 520...550°C. Bez obróbki cieplnej na osłony magnetyczne stosuje się wyłącznie stop 71KNSR. Dla każdej partii taśmy kontrolowany jest nie tylko skład chemiczny, ale także cały zestaw właściwości magnetycznych po obróbce termicznej (termomagnetycznej).
Amorficzne elinwary wykorzystywane są do produkcji czujników sejsmicznych, membran manometrów, czujników prędkości, przyspieszenia i momentu obrotowego; sprężyny mechanizmów zegarowych, skal, czujników zegarowych i innych precyzyjnych urządzeń sprężynowych. W Niemczech opracowano stop marki Vitrovac-0080 zawierający 78% niklu, boru i krzemu. Stop charakteryzuje się wytrzymałością na rozciąganie = 2000 MPa, modułem Younga 1,5*105 MPa, gęstością 8 g/cm3, opornością elektryczną 0,9 Ohm*mm2/m, granicą wytrzymałości na zginanie około 800 MPa w oparciu o 107 cykli. Stop jest zalecany do produkcji sprężyn, membran i styków.
Materiały amorficzne wykorzystuje się do wzmacniania rur wysokociśnieniowych, wytwarzania stalowych kordów opon itp. W przyszłości możliwe będzie wykorzystanie stopów amorficznych do produkcji kół zamachowych. Takie koła zamachowe można wykorzystać do magazynowania energii i pokrycia szczytowych obciążeń w elektrowniach, poprawy osiągów pojazdów itp.
AMC na bazie żelaza są stosowane jako materiały na rdzenie transformatorów wysokiej częstotliwości do różnych celów, dławików i wzmacniaczy magnetycznych. Wynika to z niskich strat całkowitych, które w najlepszych AMS tej klasy są o rząd wielkości mniejsze niż w krzemowych stalach elektrotechnicznych.
Zaproponowano stopy Fe-Si-B o wysokim nasyceniu magnetycznym w celu zastąpienia konwencjonalnego krystalicznego stopu Fe-Si w rdzeniach transformatorów, a także stopów Ni-Fe o wysokiej przenikalności. Brak anizotropii magnetokrystalicznej w połączeniu z dość wysoką rezystancją elektryczną zmniejsza straty w postaci prądów wirowych, szczególnie przy wysokich częstotliwościach. Straty w rdzeniach wykonanych ze stopu amorficznego Fe81B13Si4C2 opracowanego w Japonii wynoszą 0,06 W/kg, czyli są około dwudziestokrotnie mniejsze niż straty w blachach transformatorowych o ziarnie zorientowanym. Oszczędności wynikające z ograniczenia strat energii w wyniku histerezy przy zastosowaniu stopu Fe83B15Si2 zamiast stali transformatorowych wyniosą w samych USA 300 milionów dolarów rocznie. Ten obszar zastosowań szkieł metalicznych ma szeroką perspektywę.
Oprócz niezwykle wysokiej początkowej przenikalności magnetycznej, zwłaszcza przy wysokich częstotliwościach (10 kHz), a także zerowej magnetostrykcji, szkła metalowe na bazie kobaltu charakteryzują się dużą twardością i dobrymi właściwościami korozyjnymi, dlatego są stosowane jako materiały na magnetyczne głowice rejestrujące. Stop Fe5Co70Si10B15 opracowany w Japonii znalazł wysoką wydajność i szerokie zastosowanie. Metoda hartowania walcowego pozwala uzyskać pasek o grubości 50 µm i szerokości 15 mm o doskonałej jakości na obu powierzchniach (chropowatość ± 3 µm). Ze względu na wysoką gęstość strumienia magnetycznego i wysoką odporność na zużycie, głowice rejestrujące wykonane z tej taśmy charakteryzują się lepszą ogólną wydajnością niż głowice ferrytowe i głowice permallojowe. Materiały te są wykorzystywane w sprzęcie audio, wideo, komputerowym i innym sprzęcie nagrywającym.
Taśmy z amorficznych stopów kobaltu stosowane są w rdzeniach małogabarytowych transformatorów wysokiej częstotliwości do różnych celów, w szczególności do zasilaczy wtórnych i wzmacniaczy magnetycznych. Znajdują zastosowanie w detektorach upływu prądu, systemach telekomunikacyjnych oraz jako czujniki (w tym typu fluxgate), do ekranów magnetycznych i czujników wrażliwych na temperaturę, a także wysokoczułe przetworniki magnetyczne. Wysoka wytrzymałość w połączeniu z odpornością na korozję pozwala na zastosowanie stopów amorficznych do produkcji kabli pracujących w kontakcie z wodą morską, a także wyrobów, których warunki pracy związane są z narażeniem na działanie agresywnego środowiska.
Połączenie wysokiej wytrzymałości, odporności na korozję i zużycie, a także miękkich właściwości magnetycznych umożliwia inne zastosowania. Można na przykład zastosować takie szkła jako cewki indukcyjne w urządzeniach do separacji magnetycznej. Jako ekrany magnetyczne wykorzystano produkty tkane z taśmy. Zaletą tych materiałów jest to, że można je ciąć i wyginać w żądane kształty bez utraty ich właściwości magnetycznych.
Ponieważ szkła są silnie przechłodzonymi cieczami, ich krystalizacja po podgrzaniu zwykle zachodzi z silnym zarodkowaniem, w wyniku czego powstaje jednorodny, niezwykle drobnoziarnisty metal. Takiej fazy krystalicznej nie można otrzymać konwencjonalnymi metodami przetwarzania. Otwiera to możliwość uzyskania specjalnych lutów w postaci cienkiego paska. Taśma ta łatwo się wygina, można ją przycinać i tłoczyć w celu uzyskania optymalnej konfiguracji. Przy lutowaniu bardzo ważne jest, aby taśma była jednorodna pod względem składu i zapewniała niezawodny kontakt we wszystkich punktach lutowanych produktów. Luty mają wysoką odporność na korozję. Wykorzystuje się je w lotnictwie i technologii kosmicznej.
W przyszłości możliwe będzie otrzymywanie kabli nadprzewodzących poprzez krystalizację początkowej fazy amorficznej.
Znane jest również stosowanie stopów amorficznych jako katalizatorów reakcji chemicznych. Przykładowo amorficzny stop Pd – Rh okazał się katalizatorem rozkładu NaCl na NaOH i C12, a stopy na bazie żelaza zapewniają wyższą wydajność (około 80%) w porównaniu do proszku żelaza (około 15%) w reakcja syntezy
4H2 + 2CO = C2H4 + 2H2O - (12.1)
Metale amorficzne nazywane są często materiałami przyszłości, ze względu na unikatowość ich właściwości, których nie posiadają zwykłe metale krystaliczne. Informacje o głównych obszarach zastosowań amorficznych materiałów metalicznych znajdują się w tabeli 12.4.
Powszechne stosowanie metali amorficznych utrudnia wysoki koszt, stosunkowo niska stabilność termiczna, a także małe rozmiary powstałych taśm, drutów i granulatów. Ponadto zastosowanie stopów amorficznych w konstrukcjach jest ograniczone ze względu na ich niską spawalność.
3. Amorficzne i szkliste materiały półprzewodnikowe
Substancje amorficzne i szkliste wykazujące właściwości półprzewodnikowe. Charakteryzują się obecnością porządku krótkiego zasięgu i brakiem porządku dalekiego zasięgu. Szklisty materiał półprzewodnikowy, który można uznać za szczególny rodzaj substancji amorficznej, charakteryzuje się obecnością przestrzennej siatki, w której oprócz kowalencyjnie związanych atomów znajdują się polarne grupy jonów. W takich materiałach wiązanie pomiędzy grupami atomów i jonów odbywa się pod wpływem kowalencyjnych sił van der Waalsa o krótkim zasięgu. Nieorganiczne półprzewodniki szkliste wykazują przewodność elektronową.
W przeciwieństwie do półprzewodników krystalicznych, półprzewodniki szkliste nie mają przewodnictwa zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia w półprzewodnikach szklistych wpływają na odchylenie od stechiometrii, a tym samym zmieniają ich właściwości elektryczne. Te półprzewodniki są kolorowe i nieprzezroczyste w grubych warstwach. Szkliste materiały półprzewodnikowe charakteryzują się źle zorientowaną strukturą i nienasyconymi wiązaniami chemicznymi.
Półprzewodniki amorficzne i szkliste ze względu na skład i strukturę dzielą się na tlenkowe, chalkogenkowe, organiczne i czworościenne.
Szkła tlenkowe zawierające tlen powstają w wyniku stapiania tlenków metali o zmiennej wartościowości, na przykład V2O5-P2O5-ZnO. Tlenki metali tworzące te szkła mają jednocześnie co najmniej dwa różne stany wartościowe tego samego pierwiastka, co decyduje o ich przewodności elektronowej. Beztlenowe szkła chalkogenkowe powstają w wyniku fuzji chalkogenów (S, Se, Te) z pierwiastkami z grup III, IV, V układu okresowego. Półprzewodniki szkliste chalkogenkowe produkowane są głównie poprzez chłodzenie stopu lub odparowanie w próżni. Typowymi przedstawicielami są siarczek i selenek arsenu. Należą do nich również dwu- i wieloskładnikowe stopy szkliste chalkogenków (siarczków, selenków i tellurków) różnych metali (na przykład 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). Szkła chalkogenkowe charakteryzują się wysoką przezroczystością w obszarze IR widma od 1 do 18 mikronów. Amorficzne warstwy złożonych związków chalkogenkowych mają ogromny potencjał w zakresie zmiany ich właściwości fizykochemicznych.
Amorficzne warstwy Si, Ge, GaAs i innych substancji półprzewodnikowych nie mają praktycznego zastosowania ze względu na swoje właściwości. Brak uporządkowania dalekiego zasięgu w tych półprzewodnikach oraz obecność dużej liczby defektów, takich jak mikropory, prowadzi do obecności nienasyconych wiązań dyndających w wielu atomach. Konsekwencją tego jest duża gęstość zlokalizowanych stanów (1020 cm-3) w pasmie wzbronionym. Ze względu na specyfikę procesu przewodnictwa elektrycznego w półprzewodnikach amorficznych kontrola właściwości elektrycznych takich materiałów jest prawie niemożliwa.
Wprowadzenie wodoru do warstw krzemu amorficznego znacząco zmienia jego właściwości elektryczne. Rozpuszczając się w amorficznym krzemie wodór zamyka zwisające wiązania (nasyca je), w efekcie w tak „uwodornionym” materiale, zwanym Si:H, gęstość stanów w pasmie wzbronionym gwałtownie maleje (do 1016-1017 cm-3 ). Materiał taki można domieszkować tradycyjnymi domieszkami donorowymi (P, As) i akceptorowymi (B), nadając mu przewodność typu elektronowego lub dziurowego oraz tworząc w nim złącza p-n. Na bazie krzemu zsyntetyzowano serię uwodornionych półprzewodników amorficznych o interesujących właściwościach elektrycznych i optycznych Si1-xCx:H, Si1-xGex:H, Si1-xNx:H, Si1-xSnx:H.
Praktyczne zastosowania półprzewodników amorficznych i szklistych są różnorodne. Krzem amorficzny stał się tańszą alternatywą dla krzemu monokrystalicznego, na przykład do produkcji na jego bazie ogniw słonecznych. Absorpcja optyczna krzemu amorficznego jest 20 razy większa niż krzemu krystalicznego. Dlatego do znacznej absorpcji światła widzialnego zamiast drogich podłoży krzemowych o grubości 300 µm wystarczy folia -Si:H o grubości 0,5-1,0 µm. W porównaniu do ogniw z krzemu polikrystalicznego, produkty na bazie -Si:H są wytwarzane w niższych temperaturach (300°C).
Uwodorniony krzem jest doskonałym materiałem do tworzenia elementów światłoczułych w kserografii, pierwotnych czujników obrazu (sensorów), tarcz wideomonitorowych do transmisji lamp telewizyjnych. Czujniki optyczne wykonane z uwodornionego amorficznego krzemu służą do rejestracji informacji wideo w pamięci, do wykrywania wad w przemyśle tekstylnym i metalurgicznym, w urządzeniach do automatycznej kontroli ekspozycji i jasności.
Półprzewodniki szkliste są półizolatorami fotoprzewodzącymi i są stosowane w elektrofotografii, systemach rejestracji informacji i wielu innych dziedzinach. Ze względu na ich przezroczystość w obszarze widma o dużej długości fali, półprzewodniki szkliste chalkogenkowe są stosowane w oprzyrządowaniu optycznym itp.
4. Ogólne metody otrzymywania materiałów amorficznych
Ogólne metody otrzymywania materiałów amorficznych można przedstawić w formie rysunku.
amorficzny metaliczny krystaliczny fizyczny
Wniosek
Z przemysłowego punktu widzenia wysoko ceniona jest dwoista natura materiałów amorficznych. Eksperymentalne i teoretyczne prace nad amorficznymi ciałami stałymi doprowadziły do lepszego zrozumienia paradoksalnej natury stałej struktury tych materiałów. Ponadto, dlaczego wzrosło zainteresowanie amorficznymi stopami metali? Przede wszystkim dlatego, że stopy metali o uporządkowaniu krótkiego zasięgu w układzie atomów są do dziś bardzo interesującymi obiektami w fizyce materii skondensowanej.
W ostatnich latach uzyskano ważne wyniki w badaniach właściwości mechanicznych, elektrycznych i magnetycznych amorficznych materiałów metalicznych. Jednak całkowite zakończenie badań nad strukturami amorficznymi jest jeszcze przed nami. Kwestia struktury porządku krótkiego zasięgu zgodnej z rzeczywistością wymaga jednoznacznego rozwiązania. Następne w kolejce są struktury amorficzne, w których nie ma porządku nawet krótkiego zasięgu. Zatem badanie korzystnych właściwości materiałów amorficznych trwa do dziś.
Wykaz używanej literatury
1. A. West Solid State Chemistry, część 2, M.: Mir, 1988
2. Zolotukhin I.V. Właściwości fizyczne amorficznych materiałów metalicznych. M.: Metalurgia, 1986. 176 s.
3. B.V. Niekrasow, Podstawy chemii ogólnej, M.: Chemia, 1973.
4. Filce A. Amorficzne i szkliste ciała nieorganiczne / A. Filce. - M.: Mir, 1986. - 556 s.
5. Henney N. Chemia ciała stałego / N. Henney. - M.: Mir, 1971. -223 s.
6. Amorficzne stopy metali / V.V. Niemoszkalenko i inni / wzgl. wyd. V.V. Niemoszkalenko. - Kijów: Naukova Dumka, 1987. - 248 s.
7. Suzuki, K. Metale amorficzne / K. Suzuki, H. Fujimori, K. Hashimoto; edytowany przez Ts. Masumoto. - M .: Metalurgia, 1987. - 328 s.
8. Ryabov, A.V. Nowoczesne metody wytapiania stali w piecach łukowych: podręcznik / A.V. Ryabow, I.V. Czumanow, M.V. Sziszimrow. - Czelabińsk: Wydawnictwo SUSU, 2007. - 188 s.
9. Strona internetowa OJSC „Asha Metallurgical Plant”: http://www.amet.ru.
10. Strona internetowa „Wikipedia”: http://ru.wikipedia.org
Opublikowano na Allbest.ru
...Podobne dokumenty
Polimery jako substancje organiczne i nieorganiczne, amorficzne i krystaliczne. Cechy struktury ich cząsteczek. Historia terminu „polimer” i jego znaczenie. Klasyfikacja związków polimerowych, przykłady ich rodzajów. Zastosowanie w życiu codziennym i przemyśle.
prezentacja, dodano 11.10.2010
Różnorodność właściwości poliuretanów (PU). Odmiana składników poliolowych i izocyjanianowych. Surowce do produkcji poliuretanów: izocyjaniany i alkohole wielowodorotlenowe. Metody syntezy farb i lakierów PU oraz półproduktów. Nowoczesne metody modyfikacji.
streszczenie, dodano 30.03.2009
Fazy gazowe, skondensowane, ciekłe i amorficzne substancji. Opis budowy faz krystalicznych. Granice stabilności struktur krystalicznych. Wady ciała stałego. Interakcja defektów punktowych. Metody otrzymywania niekrystalicznych faz stałych.
test, dodano 20.08.2015
Ogólna charakterystyka materiałów nanokompozytowych: analiza właściwości metafizycznych, główne obszary zastosowań. Uwzględnienie cech metamateriałów, metod tworzenia. Wprowadzenie do właściwości fizycznych, elektronicznych i fotofizycznych nanocząstek.
streszczenie, dodano 27.09.2013
Historia powstania i analiza właściwości fizykochemicznych kauczuku butylowego - ważnego materiału wykorzystywanego do produkcji różnych gum i innych materiałów w przemyśle motoryzacyjnym i chemicznym. Technologia wytwarzania kauczuku butylowego w zawiesinie.
streszczenie, dodano 21.10.2010
Powszechne metody fizycznej modyfikacji polimerów w celu nadania im określonych właściwości. Analiza termograwimetryczna magnetoplastów. Charakterystyka porównawcza materiałów na bazie kaolinu. Właściwości materiałów termoizolacyjnych.
artykuł, dodano 26.07.2009
Badanie właściwości fizycznych i chemicznych metali, cech ich interakcji z substancjami prostymi i złożonymi. Rola metali w życiu człowieka i społeczeństwa. Rozmieszczenie pierwiastków w przyrodzie. Schemat zmian właściwości metali w grupie.
prezentacja, dodano 08.02.2013
Badanie właściwości fizycznych i mechanicznych mieszanin polimerowych. Badanie podstawowych metod formowania mieszanek gumowych. Mieszanie materiałów polimerowych w stanie stopionym i roztworze. Urządzenia do produkcji mieszanin polimerowych. Ocena jakości mieszania.
streszczenie, dodano 20.12.2015
Cecha strukturalna poliolefin. Porównanie odporności chemicznej poliolefin w różnych agresywnych mediach. Badanie właściwości chemicznych, fizycznych, termicznych, mechanicznych i elektrycznych poliolefin. Charakterystyka i budowa polibutylenu.
praca na kursie, dodano 14.01.2012
Istota i ogólna klasyfikacja paliw i smarów. Charakterystyka paliw i olejów. Ocena właściwości i zakresu stosowania smarów. Optymalne warunki przechowywania różnych rodzajów paliw i smarów. Opracowanie i zastosowanie nowych technologii w ich produkcji.
W ostatnich latach XX wieku uwagę fizyków i materiałoznawców zwróciła właśnie taka materia skondensowana, która charakteryzuje się nieuporządkowanym układem atomów w przestrzeni. Angielski fizyk J. Ziman tak wyraził ogólne zainteresowanie stanem nieuporządkowanym: „Nieuporządkowane fazy skondensowanej materii - stal i szkło, ziemia i woda, aczkolwiek bez innych pierwiastków, ognia i powietrza - spotykane są nieporównywalnie częściej i w praktyce terminy są nie mniej ważne niż wyidealizowane monokryształy, którymi jeszcze nie tak dawno temu zajmowała się wyłącznie fizyka ciała stałego”.
Spośród stałej materii skondensowanej na szczególną uwagę zasługują tzw. szkła metalowe – amorficzne stopy metali (AMA) o nieuporządkowanym układzie atomów w przestrzeni. Do niedawna pojęcie „metalu” kojarzono z pojęciem „kryształu”, którego atomy są rozmieszczone w przestrzeni w ściśle uporządkowany sposób. Jednak na początku lat 60. W świecie naukowym rozeszła się wiadomość, że uzyskano stopy metali, które nie mają struktury krystalicznej. Metale i stopy o przypadkowym ułożeniu atomów zaczęto nazywać amorficznymi szkłami metalicznymi, oddając hołd analogii, jaka istnieje pomiędzy nieuporządkowaną strukturą stopu metalu i nieorganicznego szkła.
Odkrycie metali amorficznych wniosło ogromny wkład w naukę o metalach, znacząco zmieniając nasze rozumienie ich. Okazało się, że metale amorficzne uderzająco różnią się swoimi właściwościami od kryształów metali, które charakteryzują się uporządkowanym układem atomów.
AMC otrzymuje się przez szybkie hartowanie stopionego metalu przy szybkościach chłodzenia ciekłego metalu wynoszącej 10 4 –10 6 °C/s i pod warunkiem, że stop zawiera wystarczającą ilość pierwiastków amorfizujących. Amorfizatorami są niemetale: bor, fosfor, krzem, węgiel. Odpowiednio, amorficzne stopy metali dzielą się na stopy „metal-niemetal” i „metal-metal”.
Miękkie stopy magnetyczne układu „metal – niemetal” znajdują szerokie zastosowanie przemysłowe. Produkowane są na bazie metali ferromagnetycznych – żelaza, niklu, kobaltu, z wykorzystaniem różnych kombinacji niemetali jako amorfizatorów.
Struktura stopów amorficznych jest podobna do struktury zamarzniętej cieczy. Zestalanie zachodzi tak szybko, że atomy substancji zamarzają w pozycjach, jakie zajmowały w stanie ciekłym. Strukturę amorficzną charakteryzuje brak uporządkowania dalekiego zasięgu w układzie atomów (rys. 1), przez co nie występuje anizotropia krystaliczna, nie ma granic bloków, ziaren i innych defektów strukturalnych typowych dla stopów polikrystalicznych.
Obrazek 1. Komputerowe modele struktury zamówień dalekiego (a) i krótkiego (b) zasięgu
Konsekwencją tej amorficznej struktury są niezwykłe właściwości magnetyczne, mechaniczne, elektryczne i odporność na korozję amorficznych stopów metali. Oprócz dużej miękkości magnetycznej (poziom strat elektromagnetycznych w stopach amorficznych o dużej indukcji magnetycznej jest znacznie niższy niż we wszystkich znanych stopach krystalicznych) materiały te charakteryzują się wyjątkowo dużą twardością mechaniczną i wytrzymałością na rozciąganie, w niektórych przypadkach posiadają współczynnik rozszerzalności cieplnej bliski zeru, a ich oporność elektryczna jest trzy do czterech razy większa niż wartość dla żelaza i jego stopów. Niektóre stopy amorficzne charakteryzują się dużą odpornością na korozję.
Zestalenie z utworzeniem struktury amorficznej jest zasadniczo możliwe w przypadku wszystkich metali i stopów. Do zastosowań praktycznych wykorzystuje się zwykle stopy metali przejściowych (Fe, Co, Mn, Cr, Ni itp.), do których dodaje się pierwiastki amorficzne takie jak B, C, Si, P, S, tworząc strukturę amorficzną. stopy amorficzne zawierają zwykle około 80% (at.) jednego lub więcej metali przejściowych i 20% metaloidów dodanych w celu utworzenia i stabilizacji struktury amorficznej. Skład stopów amorficznych jest podobny zgodnie ze wzorem M 80 X 20, gdzie M oznacza jeden lub więcej metali przejściowych, a X oznacza jeden lub więcej amorfizatorów. Znane są stopy amorficzne, których skład odpowiada podanemu wzorowi: Fe 70 Cr 10 P 15 B 5, Fe 40 Ni 40 Si 14 B 6, Fe 80 P 13 B 7 itd. Amorfizatory obniżają temperaturę topnienia i zapewniają dość szybkie ochłodzenie stopu poniżej jego temperatury zeszklenia, tak że tworzy się faza amorficzna. Na stabilność termiczną stopów amorficznych największy wpływ mają krzem i bor, największą wytrzymałość mają stopy z borem i węglem, a odporność na korozję zależy od stężenia chromu i fosforu.
Stopy amorficzne znajdują się w stanie termodynamicznie nierównowagowym. Ze względu na swój amorficzny charakter szkła metaliczne mają właściwości charakterystyczne dla szkieł niemetalicznych: po podgrzaniu ulegają strukturalnej relaksacji, dewitryfikacji i krystalizacji. Dlatego dla stabilnej pracy wyrobów wykonanych ze stopów amorficznych konieczne jest, aby ich temperatura nie przekraczała określonej temperatury roboczej określonej dla każdego stopu.
2. Metody wytwarzania stopów amorficznych
Ultrawysokie szybkości chłodzenia ciekłego metalu w celu uzyskania struktury amorficznej realizuje się na różne sposoby. Ich wspólną cechą jest zapewnienie szybkości chłodzenia wynoszącej co najmniej 10–6°C/s.
Istnieją różne metody wytwarzania stopów amorficznych: katapultowanie kropli na zimną płytę, rozpylanie strumienia gazem lub cieczą, odwirowanie kropli lub strumienia, stapianie cienkiej warstwy powierzchni metalu za pomocą lasera z szybkim odprowadzaniem ciepła przez masę metalu nieszlachetnego, ultraszybkie chłodzenie z ośrodka gazowego itp.
Zastosowanie tych metod umożliwia otrzymanie taśm o różnej grubości, drutu i proszków.
Odbiór taśmy. Najbardziej efektywnymi metodami przemysłowej produkcji taśm amorficznych jest chłodzenie strumienia ciekłego metalu na zewnętrznych (hartowanie tarczowe) lub wewnętrznych (hartowanie odśrodkowe) powierzchniach obracających się bębnów lub walcowanie stopu pomiędzy zimnymi walcami wykonanymi z materiałów o dużej przewodności cieplnej.
Rysunek 2 przedstawia schematyczne diagramy tych metod. Stop uzyskany w piecu indukcyjnym jest wyciskany z dyszy przez gaz obojętny i krzepnie w kontakcie z powierzchnią wirującego chłodzonego korpusu (lodówki). Różnica polega na tym, że w metodach hartowania odśrodkowego i hartowania tarczowego stop jest chłodzony tylko z jednej strony. Głównym problemem jest uzyskanie odpowiedniego stopnia czystości powierzchni zewnętrznej, która nie ma kontaktu z lodówką. Metoda walcowania w stanie stopionym pozwala uzyskać dobrą jakość na obu powierzchniach taśmy, co jest szczególnie ważne w przypadku taśm amorficznych stosowanych w magnetycznych głowicach rejestrujących. Każda metoda ma swoje ograniczenia dotyczące rozmiaru taśm, ponieważ istnieją różnice zarówno w procesie krzepnięcia, jak i używanym sprzęcie. Jeżeli podczas hartowania odśrodkowego szerokość taśmy wynosi do 5 mm, to podczas walcowania powstają taśmy o szerokości 10 mm lub większej. Metoda hartowania tarczowego, wymagająca prostszego sprzętu, pozwala na zmianę szerokości taśmy w szerokim zakresie w zależności od wielkości tygli do topienia. Metoda ta umożliwia produkcję zarówno taśm wąskich o szerokości 0,1–0,2 mm, jak i szerokich – do 100 mm, a dokładność szerokości może wynosić ±3 mikrony. Trwają prace nad instalacjami o maksymalnej pojemności tygla do 50 kg.
Rysunek 2: - hartowanie odśrodkowe; b - hartowanie na dysku; c - walcowanie stopu; g - hartowanie odśrodkowe; d - hartowanie planetarne
We wszystkich instalacjach hartowniczych metal szybko krzepnie ze stanu ciekłego, rozprowadzając cienką warstwę na powierzchni obracającej się lodówki. Jeśli skład stopu jest stały, szybkość chłodzenia zależy od grubości stopu i właściwości lodówki. Grubość wytopu na lodówce zależy od prędkości jego obrotu i natężenia przepływu wytopu, tj. zależy od średnicy dyszy i ciśnienia gazu na stopie. Duże znaczenie ma właściwy dobór kąta dostarczania stopu do dysku, co pozwala wydłużyć czas kontaktu metalu z lodówką. Szybkość chłodzenia zależy również od właściwości samego stopu: przewodności cieplnej, pojemności cieplnej, lepkości, gęstości.
Odbiór drutu. Aby otrzymać cienki drut amorficzny, stosuje się różne metody wyciągania włókien ze stopu (rysunek 3).
Rysunek 3: a - przeciąganie stopu przez chłodziwo (wytłaczanie stopu); b - wyciąganie nici z obracającego się bębna; c - wyciąganie stopu w szklanej kapilarze; 1 - stopić; 2 - płyn chłodzący; 3 - szkło; 4 - dysza; 5 - uzwojenie drutu
Pierwsza metoda (ryc. 3, a) - stopiony metal jest wyciągany w okrągłej rurze przez wodny roztwór soli. Druga metoda (rys. 3, b) - strumień stopionego metalu wpada do cieczy utrzymywanej przez siłę odśrodkową na wewnętrznej powierzchni obracającego się bębna: następnie zastygła nić jest odwijana z obracającej się cieczy. Znana metoda polega na wytwarzaniu drutu amorficznego poprzez możliwie najszybsze przeciągnięcie stopu w szklanej kapilarze (rysunek 3, c). Metoda ta nazywa się metodą Taylora. Włókno uzyskuje się przez jednoczesne wyciąganie stopu rurką szklaną, a średnica włókna wynosi 2–5 mikronów. Główną trudnością jest oddzielenie włókna od pokrywającego je szkła, co w naturalny sposób ogranicza skład stopów amorfizowanych tą metodą.
Przygotowanie proszków. Do produkcji proszków stopów amorficznych można wykorzystać metody i urządzenia stosowane do produkcji konwencjonalnych proszków metali.
Na rycinie 4 przedstawiono schematycznie kilka metod umożliwiających otrzymanie amorficznych proszków w dużych ilościach. Wśród nich należy wymienić sprawdzone metody opryskiwania (ryc. 4, a).
Rysunek 4: a - metoda natryskowa (metoda natryskowa); b - metoda kawitacyjna; c - sposób natryskiwania stopu za pomocą obracającej się tarczy; 1 - proszek; 2 - surowiec; 3 - dysza; 4 - płyn chłodzący; 5 - chłodzona płyta
Znane jest wytwarzanie proszków amorficznych metodą kawitacyjną, która polega na walcowaniu wytopu w rolki oraz metodą natryskiwania wytopu obracającą się tarczą. W metodzie kawitacyjnej (ryc. 4, b) stopiony metal wyciska się w szczelinie między dwoma walcami (0,2–0,5 mm), wykonanymi na przykład z grafitu lub azotku boru. Następuje kawitacja – stop jest wyrzucany przez walce w postaci proszku, który opada na schłodzoną płytę lub do chłodzącego roztworu wodnego. Kawitacja zachodzi w szczelinie pomiędzy walcami, w wyniku czego znikają obecne w metalu pęcherzyki gazu. Metoda natryskiwania za pomocą obracającej się tarczy (ryc. 4, c) jest w zasadzie podobna do opisanej wcześniej metody wytwarzania cienkiego drutu, z tą różnicą, że tutaj roztopiony metal wchodzący do cieczy jest natryskiwany w wyniku jego turbulentnego ruchu. Metodą tą otrzymuje się proszek w postaci granulek o średnicy około 100 mikronów.
3. Znakowanie, właściwości i zastosowanie stopów amorficznych
Znakowanie stopów amorficznych odbywa się zgodnie z TU 14-1-4972-91 przy użyciu systemu zapisu alfanumerycznego. Elementy oznacza się literami alfabetu rosyjskiego w taki sam sposób, jak przewidziano dla stali. Liczby przed oznaczeniem literowym pierwiastka wskazują jego średnią zawartość w stopie. Zawartość krzemu i boru nie jest podana w oznaczeniu marki, ich łączna zawartość jako pierwiastków amorfizujących wynosi 20–25% (at.).
Skład chemiczny stopów amorficznych jest również oznaczony symbolami pierwiastków chemicznych z cyfrowymi indeksami, które wskazują zawartość danego pierwiastka (% (at.)), np. Fe 31 B 14 Si 4 C 2. Stopy produkowane na skalę przemysłową nazywane są Metglas w USA, Vitrovac w Niemczech i Amomet w Japonii. Do nazw tych dodawany jest numer kodowy.
Ze względu na metaliczny charakter wiązania wiele właściwości szkieł metalicznych znacznie różni się od właściwości szkieł niemetalicznych. Należą do nich lepki charakter zniszczenia, wysoka przewodność elektryczna i cieplna oraz właściwości optyczne.
Gęstość stopów amorficznych jest tylko o 1–2% mniejsza niż gęstość odpowiednich ciał krystalicznych. Szkła metaliczne mają zwartą strukturę, bardzo różniącą się od luźniejszej struktury szkieł niemetalicznych z wiązaniami kierunkowymi.
Metale amorficzne są materiałami o dużej wytrzymałości. Oprócz dużej wytrzymałości charakteryzują się dobrą ciągliwością przy ściskaniu (do 50%) i zginaniu. W temperaturze pokojowej stopy amorficzne walcuje się na zimno w cienką folię. Pasek amorficznego stopu Ni 49 Fe 29 P 14 B 6 A 12 o grubości 25 mikronów można zagiąć wokół końcówki żyletki bez tworzenia mikropęknięć. Jednak po rozciągnięciu ich względne wydłużenie nie przekracza 1–2%. Wyjaśnia to fakt, że odkształcenie plastyczne zachodzi w wąskich (10–40 nm) zlokalizowanych pasmach ścinania, a poza tymi pasmami odkształcenie praktycznie nie rozwija się, co prowadzi do niskich wartości makroskopowej plastyczności przy rozciąganiu. Granica plastyczności stopów amorficznych Fe 40 Ni 40 P 14 B 6, Fe 80 B 20, Fe 60 Cr 6 Mo 6 B 28 wynosi odpowiednio 2400, 3600, 4500 MPa, a granica plastyczności stali o dużej wytrzymałości zwykle nie więcej niż 2 500 MPa.
Stopy amorficzne charakteryzują się wyraźną liniową zależnością pomiędzy twardością a wytrzymałością. Dla stopów na bazie Fe, Ni i Co obowiązuje wyrażenie HV = 3,2 σ t, co pozwala na wykorzystanie odczytów twardościomierza z wystarczającą dokładnością do określenia charakterystyk wytrzymałościowych. Energia pękania i udarność stopów amorficznych również znacznie przewyższają te właściwości konwencjonalnych materiałów krystalicznych - stali i stopów, a tym bardziej szkieł nieorganicznych. Charakter pęknięcia wskazuje na pękanie plastyczne szkieł metalowych. Może to wynikać z ich adiabatycznego nagrzewania w wyniku odkształcenia plastycznego.
Amorficzne stopy konstrukcyjne . AMC mają cenny zestaw właściwości mechanicznych. Przede wszystkim ich cechą jest połączenie dużej twardości i wytrzymałości. Twardość HV może osiągać wartości ponad 1000, a wytrzymałość - 4000 MPa i więcej. Na przykład stop Fe 46 Cr 16 Mo 20 C 18 ma twardość HV 1150 i wytrzymałość 4000 MPa; stop Co 34 Cr 28 Mo 20 C 18 – odpowiednio 1400 i 4100 MPa.
Amorficzne stopy konstrukcyjne charakteryzują się dużym odkształceniem sprężystym - około 2%, małą ciągliwością - δ = 0,03–0,3%. Jednak stopów nie można zaliczyć do materiałów kruchych, ponieważ można je tłoczyć, ciąć i walcować. Stopy dobrze nadają się do walcowania na zimno z redukcją 30–50% i ciągnienia z redukcją do 90%.
Właściwości mechaniczne niektórych stopów amorficznych podano w tabeli 1.
Tabela 1 - Właściwości mechaniczne amorficznych stopów metali
Stop | WN | σ w | σ 0,2 | MI, | E/σ in | δ, % |
MPa | ||||||
Fe 80 B 20 | 1 100 | 3 130 | – | 169 | 54 | – |
Fe 78 Mo2B 20 | 1 015 | 2 600 | – | 144 | 55 | – |
Fe 40 Ni 40 P 14 B 6 | 640 | 1 710 | – | 144 | 84 | – |
Fe 80 P 13 C 7 | 760 | 3 040 | 2 300 | 121 | 40 | 0,03 |
Fe 78 Si 10 B 12 | 890 | 3 300 | 2 180 | 85 | 26 | 0,3 |
Ni 75 Si 8 B 17 | 860 | 2 650 | 2 160 | 103 | 39 | 0,14 |
Ni 49 Fe 29 P 14 B 6 Al 2 | – | 1 960 | – | 103 | 53 | 0,02 |
Pd 80 Si 20 | 325 | 1 330 | 850 | 67 | 50 | 0,11 |
Cu 60 Zr 40 | 540 | 1 960 | 1 350 | 76 | 38 | 0,2 |
Ti 50 Be 40 Zr 10 | 730 | 1 860 | – | 106 | 57 | – |
Pd 77,5 Cu 6 Si 16,5 | 129 | 1 810 | 1 000 | 82 | 45 | 0,3 |
La 80 Al 20 * | – | 430 | – | 24 | 56 | 0,1–0,2 |
Co 75 Si 15 B 10 | 910 | 2 940 | – | 104 | 36 | – |
* W temperaturze -269°C.
Oprócz wysokich właściwości mechanicznych, amorficzne stopy konstrukcyjne mają dobrą odporność na korozję. Możliwość stosowania amorficznych stopów konstrukcyjnych jest ograniczona stosunkowo niską temperaturą (Tcryst) ich przejścia w stan krystaliczny po podgrzaniu, występowaniem kruchości odpuszczania powstającej podczas krótkotrwałego nagrzewania do temperatur znacznie niższych niż Tcryst, a także fakt, że zakres produkowanych materiałów jest ograniczony. Produkowane są wyłącznie cienkie taśmy, folie i nici. Masywne półfabrykaty i produkty można otrzymać metodami metalurgii proszków. Jednak zwykła technologia - spiekanie ślepych proszków - jest niedopuszczalna ze względu na niską stabilność termiczną materiałów amorficznych. Eksperymentalnie próbki proszków amorficznych przygotowuje się metodą prasowania wybuchowego.
Żywotność stopu amorficznego zależy od temperatury roboczej. Opór cieplny stopów amorficznych jest niski. Istnieją jednak materiały, których Tkryształy są wyższe niż 725°C. Należą do nich w szczególności stop Ti 40 Ni 40 Si 20 o wysokich właściwościach mechanicznych: HV 1070, σ in = 3450 MPa i wytrzymałości właściwej σ in /(ρg) = 58 km (ρ - gęstość; g - przyspieszenie swobodnego spadania) .
Przędze AMC o wysokiej wytrzymałości można stosować w materiałach kompozytowych, a taśmy można stosować jako uzwojenia do wzmacniania zbiorników ciśnieniowych.
Amorficzne stopy metali są obiecującymi materiałami do produkcji elementów elastycznych. Na uwagę zasługuje stop Ti 40 Be 40 Zr 10, który charakteryzuje się dużą odpornością na relaksację i rezerwą energii sprężystej. Skuteczna siła sprężyn wykonanych z tego stopu jest o rząd wielkości większa niż w przypadku sprężyn wykonanych z konwencjonalnych metali polikrystalicznych.
Brak granic ziaren, wysoka twardość, odporność na zużycie i odporność na korozję stopów amorficznych umożliwiają wytwarzanie z nich wysokiej jakości narzędzi o cienkich krawędziach, takich jak żyletki.
Amorfizacja warstw wierzchnich wyrobów metodą obróbki laserowej (w celu zwiększenia ich twardości) może konkurować z tradycyjnymi metodami utwardzania powierzchniowego. W szczególności metodą tą podniesiono twardość powierzchniową stopu monokrystalicznego Ni 60 Nb 40 o rząd wielkości (HV 1050) i uzyskano twardość HV 1200 na powierzchni wyrobów żeliwnych o składzie: 3,20% C ; 2,60% Si; 0,64% Mn, 0,06% R.
Stopy amorficzne miękkie i twarde magnetycznie . Amorficzne miękkie stopy magnetyczne są stosowane w produktach elektronicznych. Ze względu na skład chemiczny stopy dzielą się na trzy systemy: na bazie żelaza, żelaza i niklu, żelaza i kobaltu. Opracowano wiele składów amorficznych materiałów metalicznych, ale stopy o ograniczonym zakresie produkowane są w seriach eksperymentalnych i pilotażowych.
AMS na bazie żelaza charakteryzuje się dużą indukcją nasycenia (1,5–1,8 T). Pod tym względem ustępują jedynie stalom elektrotechnicznym i stopom żelazowo-kobaltowym. Zastosowanie AMS w transformatorach mocy jest obiecujące. Wymaga to jednak zmiany technologii wytwarzania transformatorów (nawijanie taśmy na cewki transformatora, wyżarzanie w polu magnetycznym i środowisku obojętnym, specjalne warunki uszczelniania i impregnacji rdzeni). W tej grupie AMS znajdują się stopy: 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 itp.
Żelazo-nikiel AMS mają wysoką przenikalność magnetyczną; pod względem indukcji nasycenia są porównywalne z magnetycznymi stopami metali i ferrytami, mają małą siłę koercji i dużą prostokątność pętli histerezy. AMC stosuje się do produkcji transformatorów i urządzeń elektromagnetycznych pracujących na wyższych częstotliwościach, co pozwala na zmniejszenie wymiarów produktów. W tej grupie AMS znajdują się stopy: 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 itp.
Wysokoprzepuszczalne stopy metali amorficznych żelazo-kobalt może zastąpić wysokoindukcyjne permalloje w sprzęcie elektronicznym, przewyższając ten ostatni pod pewnymi właściwościami i możliwościami produkcyjnymi. Taśmy z amorficznych stopów kobaltu stosowane są w rdzeniach małogabarytowych transformatorów wysokiej częstotliwości do różnych celów, w szczególności do zasilaczy wtórnych i wzmacniaczy magnetycznych. Znajdują zastosowanie w detektorach upływu prądu, systemach telekomunikacyjnych oraz jako czujniki (w tym typu fluxgate), do ekranów magnetycznych i czujników wrażliwych na temperaturę, a także jako wysokoczułe przetworniki magnetyczne z modulacją.
Stopy wykorzystywane są na głowice magnetyczne służące do zapisywania i odtwarzania informacji. Stopy na bazie kobaltu, dzięki zwiększonej odporności na ścieranie i wysokim właściwościom magnetycznym w polach o małym natężeniu, pod wieloma względami przewyższają tradycyjnie stosowane do tych celów materiały magnetyczne miękkie. Do tej grupy AMS zaliczają się stopy: 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 itp. . .
Metodą napylania katodowego otrzymano amorficzne warstewki twardego stopu magnetycznego SmCo 5 o energii magnetycznej 120 kT·A/m, które można wykorzystać do produkcji małogabarytowych magnesów trwałych o różnym przeznaczeniu.
Stopy amorficzne inwaru. Niektóre AMC na bazie żelaza (93ZhKhR-A, 96ZhR-A) mają niski współczynnik rozszerzalności liniowej α w pewnych zakresach temperatur< 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.
Rezystancyjne stopy amorficzne mają wysoki opór elektryczny. Z nich powstają mikrodruty w izolacji szklanej. AMS (systemy Ni–Si–B) wypada korzystnie w porównaniu ze stopami krystalicznymi pod względem właściwości. Mają o rząd wielkości niższy współczynnik cieplny oporu elektrycznego i 1,5 razy większą rezystywność elektryczną. Stopy są paramagnetyczne, odporne na korozję, mają liniową zależność SEM od temperatury i stosunkowo wysoką temperaturę krystalizacji. Brak anizotropii magnetokrystalicznej w połączeniu z dość wysoką rezystancją elektryczną zmniejsza straty w postaci prądów wirowych, szczególnie przy wysokich częstotliwościach. Straty w rdzeniach wykonanych ze stopu amorficznego Fe 81 B 13 Si 4 C 2 opracowanego w Japonii wynoszą 0,06 W/kg, czyli są około dwudziestokrotnie mniejsze niż straty w blachach transformatorowych o ziarnie zorientowanym. Oszczędności wynikające z ograniczenia strat energii w wyniku histerezy przy zastosowaniu stopu Fe 83 B 15 Si 2 zamiast stali transformatorowych wynoszą w samych USA 300 milionów dolarów rocznie. Można je stosować nie tylko do produkcji rezystorów precyzyjnych, ale także do tensometrów przy pomiarze odkształceń, mikroprzemieszczeń itp. Do stopów tej grupy należą: 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 itp.
Obiecujące obszary zastosowań AMS. Połączenie wysokiej wytrzymałości, odporności na korozję i zużycie oraz właściwości magnetycznych miękkich wskazuje na możliwość różnorodnych zastosowań. Można na przykład zastosować takie szkła jako cewki indukcyjne w urządzeniach do separacji magnetycznej. Jako ekrany magnetyczne wykorzystano produkty tkane z taśmy. Zaletą tych materiałów jest to, że można je ciąć i wyginać w żądane kształty bez utraty ich właściwości magnetycznych.
Znane jest stosowanie stopów amorficznych jako katalizatorów reakcji chemicznych. Przykładowo amorficzny stop Pd–Rb okazał się katalizatorem reakcji rozkładu NaCl (aq) na NaOH i Cl 2, a stopy na bazie żelaza zapewniają wyższą wydajność (ok. 80%) w porównaniu ze sproszkowanym żelazem (ok. 15%) w reakcji syntezy 4H 2 + 2CO = C 2 H 4 + 2 H 2 O.
Ponieważ szkła są silnie przechłodzonymi cieczami, ich krystalizacja po podgrzaniu zwykle zachodzi z silnym zarodkowaniem, w wyniku czego powstaje jednorodny, niezwykle drobnoziarnisty metal. Takiej fazy krystalicznej nie można otrzymać konwencjonalnymi metodami przetwarzania. Otwiera to możliwość uzyskania specjalnych lutów w postaci cienkiego paska. Taśma ta łatwo się wygina, można ją przycinać i tłoczyć w celu uzyskania optymalnej konfiguracji. Przy lutowaniu bardzo ważne jest, aby taśma była jednorodna pod względem składu i zapewniała niezawodny kontakt we wszystkich punktach lutowanych produktów. Luty mają wysoką odporność na korozję. Wykorzystuje się je w lotnictwie i technologii kosmicznej.
W przyszłości możliwe będzie otrzymywanie kabli nadprzewodzących poprzez krystalizację początkowej fazy amorficznej.
Amorficzne stopy żelaza i niklu zawierające chrom oferują niezwykle wysoką odporność na korozję w różnorodnych środowiskach korozyjnych.
Na rys. 5 przedstawiono szybkość korozji krystalicznych próbek stali chromowych i stopów amorficznych Fe 80-x Cr x P 13 C 7, wyznaczoną na podstawie ubytku masy próbek przechowywanych w stężonym roztworze NaCl. Odporność na korozję stopów o zawartości chromu powyżej 8% (at.) jest o kilka rzędów wielkości wyższa niż klasycznych stali nierdzewnych.
Rysunek 5. Wpływ zawartości chromu na szybkość korozji stopu amorficznego Fe 80-x Cr x P 13 C 7 (1) oraz krystalicznego Fe–Cr (2) i NaCl w temperaturze 30°C
Stop amorficzny niezawierający chromu koroduje szybciej niż żelazo krystaliczne, jednakże (wraz ze wzrostem zawartości chromu) szybkość korozji stopu amorficznego gwałtownie maleje i przy zawartości 8% (at.) Cr nie jest już wykrywany przez mikrowagi po ekspozycji przez 168 godzin.
Stopy amorficzne praktycznie nie ulegają korozji wżerowej nawet w przypadku polaryzacji anodowej w kwasie solnym.
Wysoka odporność na korozję wynika z tworzenia się na powierzchni filmów pasywacyjnych, które charakteryzują się wysokimi właściwościami ochronnymi, wysokim stopniem jednorodności i szybkim powstawaniem. Oprócz chromu wprowadzenie fosforu pomaga zwiększyć odporność na korozję. Warstwa stali krystalicznych o wysokiej zawartości chromu zawsze zawiera mikropory, które z czasem przekształcają się w kieszenie korozji. Na stopach amorficznych zawierających pewną ilość chromu i fosforu już w 1N może powstać film pasywacyjny o wysokim stopniu jednorodności. roztwór HCl. Tworzenie jednorodnego filmu pasywującego zapewnia jednorodność chemiczna i strukturalna fazy amorficznej, pozbawiona defektów krystalicznych (wydzielenia nadmiaru fazy, formacje segregacyjne i granice ziaren).
Stop Fe 45 Cr 25 Mo 10 P 13 C 7, pasywujący nawet w tak stężonym roztworze jak 12 N. Roztwór HCl w temperaturze 60°C, prawie nie koroduje. Stop ten przewyższa metal tantalowy pod względem odporności na korozję.
Metale amorficzne nazywane są często materiałami przyszłości, ze względu na unikatowość ich właściwości, których nie posiadają zwykłe metale krystaliczne (tab. 2).
Tabela 2 - Właściwości i główne obszary zastosowań amorficznych materiałów metalicznych
Nieruchomość | Aplikacja | Skład stopu |
Wysoka wytrzymałość, wysoka wytrzymałość | Drut, materiały wzmacniające, sprężyny, narzędzia skrawające | Fe75Si10B15 |
Wysoka odporność na korozję | Materiały elektrodowe, filtry do pracy w roztworach kwasowych, wodzie morskiej, ściekach | Fe45Cr25Mo10P13C7 |
Wysoka gęstość strumienia magnetycznego nasycenia, niskie straty | Rdzenie transformatorowe, przetwornice, dławiki | Fe81B13Si4C2 |
Wysoka przenikalność magnetyczna, niska koercja | Głowice i ekrany magnetyczne, magnetometry, urządzenia sygnalizacyjne | Fe5Co70Si10B15 |
Stałość modułu sprężystości i temperaturowego współczynnika rozszerzalności liniowej | Inwar i materiały elitarne | Fe83B17 |
Szeroką dystrybucję metali amorficznych utrudniają wysoki koszt, stosunkowo niska stabilność termiczna, a także małe rozmiary powstałych taśm, drutów i granulatów. Ponadto zastosowanie stopów amorficznych w konstrukcjach jest ograniczone ze względu na ich niską spawalność.
W oparciu o względne rozmieszczenie atomów i cząsteczek materiały mogą być krystaliczne lub amorficzne. Nierówna struktura substancji krystalicznych i amorficznych determinuje również różnicę w ich właściwościach. Substancje amorficzne, posiadające niewykorzystaną energię wewnętrzną krystalizacji, są chemicznie bardziej aktywne niż krystaliczne o tym samym składzie (na przykład amorficzne formy krzemionki: pumeks, tripolit, diatomity w porównaniu z kwarcem krystalicznym).
Istotna różnica między substancjami amorficznymi i krystalicznymi polega na tym, że substancje krystaliczne po podgrzaniu (pod stałym ciśnieniem) mają określoną temperaturę topnienia. A amorficzne miękną i stopniowo zmieniają się w stan ciekły. Siła substancji amorficznych jest z reguły niższa niż substancji krystalicznych, dlatego w celu uzyskania materiałów o zwiększonej wytrzymałości krystalizację przeprowadza się specjalnie, na przykład przy wytwarzaniu materiału szklano-krystalicznego - ceramiki szklanej.
Odmienne właściwości można zaobserwować w materiałach krystalicznych o tym samym składzie, jeśli powstają one w różnych postaciach krystalicznych, co nazywa się modyfikacjami (zjawisko polimorfizmu). Na przykład przemianom polimorficznym kwarcu towarzyszy zmiana objętości. Zmiana właściwości materiału poprzez zmianę sieci krystalicznej stosowana jest w obróbce cieplnej metali (hartowanie lub odpuszczanie).
-Wpływ składu i struktury materiałów na ich właściwości. Rodzaje konstrukcji materiałów budowlanych.
Właściwości materiałów budowlanych są w dużej mierze związane ze specyfiką ich struktury i właściwościami substancji, z których składa się materiał. Z kolei struktura materiału zależy: dla materiałów naturalnych – od ich pochodzenia i warunków powstawania, dla sztucznych – od technologii produkcji i obróbki materiału. Dlatego studiując kurs materiałów budowlanych, budowniczy musi przede wszystkim zrozumieć to połączenie. Jednocześnie na technologię i obróbkę materiałów należy patrzeć z punktu widzenia ich wpływu na strukturę i właściwości powstałego materiału.
Materiały budowlane charakteryzują się składem chemicznym, mineralnym i fazowym.
W zależności od składu chemicznego wszystkie materiały budowlane dzielą się na: organiczne (drewno, bitum, tworzywa sztuczne itp.), mineralne (beton, cement, cegła, kamień naturalny itp.) i metale (stal, żeliwo, aluminium). Każda z tych grup ma swoją własną charakterystykę. Zatem wszystkie materiały organiczne są łatwopalne, a materiały mineralne są ognioodporne; metale dobrze przewodzą prąd i ciepło. Skład chemiczny pozwala nam ocenić inne właściwości techniczne (biostabilność, trwałość itp.). Skład chemiczny niektórych materiałów (spoiwa nieorganiczne, materiały kamienne) często wyraża się liczbą zawartych w nich tlenków.
Tlenki związane ze sobą chemicznie tworzą minerały charakteryzujące skład mineralny materiału. Znając minerały i ich ilość w materiale, można ocenić właściwości materiału. Na przykład zdolność spoiw nieorganicznych do utwardzania i utrzymywania wytrzymałości w środowisku wodnym wynika z obecności w nich minerałów krzemianowych, glinianów i ferrytów wapnia, a przy dużej ich ilości proces utwardzania ulega przyspieszeniu, a wytrzymałość kamienia cementowego wzrasta.
Charakteryzując skład fazowy materiału wyróżnia się: substancje stałe tworzące ścianki porów („zręb” materiału) oraz pory wypełnione powietrzem i wodą. Skład fazowy materiału i przejścia fazowe wody w jego porach wpływają na wszystkie właściwości i zachowanie materiału podczas pracy.
Nie mniejszy wpływ na właściwości materiału ma jego makro- i mikrostruktura oraz wewnętrzna struktura substancji tworzących materiał na poziomie jonów molekularnych.
Makrostruktura materiału to struktura widoczna gołym okiem lub przy niewielkim powiększeniu. Mikrostruktura materiału to struktura widoczna pod mikroskopem. Wewnętrzną strukturę rośliny bada się za pomocą analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich, mikroskopii elektronowej itp.
Pod wieloma względami właściwości materiału determinują liczbę, wielkość i charakter porów. Na przykład szkło porowate (szkło piankowe) w odróżnieniu od zwykłego szkła jest nieprzezroczyste i bardzo lekkie.
Kształt i wielkość cząstek stałych również wpływają na właściwości materiału. Tak więc, jeśli wyciągniesz cienkie włókna ze stopu zwykłego szkła, otrzymasz lekką i miękką wełnę szklaną.
W zależności od kształtu i wielkości cząstek oraz ich struktury makrostruktura stałych materiałów budowlanych może być ziarnista (luźnoziarnista lub konglomerat), komórkowa (drobno porowata), włóknista i warstwowa.
Materiały sypkie składają się z pojedynczych, niepołączonych ze sobą ziaren (piasek, żwir, materiały sypkie do izolacji mas uszczelniających i zasypek itp.).
Struktura konglomeratu, gdy ziarna są ze sobą trwale połączone, jest charakterystyczna dla różnych rodzajów betonu, niektórych rodzajów materiałów naturalnych, ceramicznych itp.
Struktura komórkowa (drobnoporowata) charakteryzuje się obecnością makro- i mikroporów, charakterystycznych dla gazobetonów i pianek, tworzyw komórkowych i niektórych materiałów ceramicznych.
Materiały włókniste i warstwowe, w których włókna (warstwy) są ułożone równolegle do siebie, mają różne właściwości wzdłuż i w poprzek włókien (warstw). Zjawisko to nazywa się anizotropią, a materiały o takich właściwościach są anizotropowe. Struktura włóknista jest nieodłączną cechą wyrobów z drewna i wełny mineralnej, a struktura warstwowa jest nieodłączną cechą materiałów w rolkach, arkuszach i płytach z wypełniaczem warstwowym (papier z tworzywa sztucznego, tekstolit itp.).
3.1. Materiały amorficzne. Materiały metalowe to stopy pojedyncze lub polikrystaliczne. Stal, żeliwo, duraluminium, mosiądz itp. ludzie używają go od dawna, ale tylko nowe materiały mogą zaspokoić nowe potrzeby. Baza materiałów jest często taka sama jak materiałów polikrystalicznych, ale przygotowane przy użyciu innej technologii, zyskują nowe właściwości. Rozważymy teraz niektóre technologie
Aby otrzymać materiał amorficzny z fazy gazowej konieczne jest, aby energia kinetyczna osadzonego atomu nie przekraczała energii wiązania atomów na podłożu. Atomy o niskiej ruchliwości są umieszczane na podłożu losowo, a zatem bez struktury. Mobilne atomy mogłyby się poruszać i tworzyć strukturę bardziej korzystną energetycznie. Zalety: duża szybkość chłodzenia, która zapewnia zachowanie stanu amorficznego. Wady: mała szybkość wzrostu warstwy amorficznej, wymagania dotyczące wysokiej próżni i możliwość przedostania się atomów ewakuowanej atmosfery na podłoże. Konkretne technologie: Odparowanie termiczne w próżni Odparowanie laserowe lub wiązką elektronów Odparowanie plazmowe Napylanie katodowe Chemia plazmy, tj. rozkład w wyładowaniu jarzeniowym. Preparat z fazy gazowej
Substancje amorficzne otrzymuje się w wyniku reakcji wytrącania z roztworu. Jeśli warunki zmienią się bardzo szybko, wówczas struktura krystaliczna może nie mieć czasu na zorganizowanie się i będzie amorficzna. Metody: Odparowanie. Dodanie środków strącających np. do rozpuszczalnika polarnego – niepolarnego, lub do rozpuszczalnika niepolarnego – polarnego. Osadzanie elektrolityczne. Tutaj do kąpieli elektrolitowej dodaje się fosfor lub bor. Promują powstawanie metali niekrystalicznych. Rozkład termiczny żelu. Przygotowanie z roztworów.
Przygotowanie z fazy krystalicznej 1. Najprostszą rzeczą jest szybkie podgrzanie i szybkie ochłodzenie. Lub inne silne wpływy, pod wpływem których atomy mogą opuścić swoje pozycje równowagi. 2. Reakcje w fazie stałej. 3. Silne oddziaływania mechaniczne, np. w młynie planetarnym lub wibracyjnym, gdy zaburzenia mechaniczne na powierzchni mogą przedostać się w głąb materiału. Na przykład dyslokacje, których jest tak wiele, że nie ma sensu mówić o materiale krystalicznym. 4. Naświetlanie powierzchni neutronami lub bombardowanie jonami (np. implantacja jonów). Wpływ fali uderzeniowej.
Przygotowanie ze stopów Aby otrzymać szkła ze stopów, wymagana jest duża lepkość. Jak wspomnieliśmy wcześniej, krystalizacja zachodzi poprzez tworzenie i wzrost jąder nowej fazy. Jeśli lepkość jest wysoka, cząsteczki potrzebują dużo czasu na zbudowanie kryształów. Jeśli szybko ostygniesz, struktura krystaliczna nie będzie miała czasu na ułożenie się w jednej linii. Przykład z dwutlenkiem krzemu SiO 2. Temperatura topnienia 1722 C, szkło T 1222 C, lepkość w stanie stopionym 1 MPa.s. (Tlen, siarka, chalkogeny selenowe). Szkła chalkogenkowe - związki z innymi pierwiastkami. Typowe składy: Ge S, Ge Se, As S, As Se, Ge SP, Ge As Se, Ge Se Te, As Se Te, Ge As Se Te, itp. Wysoka lepkość sprawia, że związki są amorficzne lub szkliste.
Szklanki metalowe Szklanki metalowe produkowane są metodą: ultraszybkiego hartowania; bardzo szybkie chłodzenie; rozpylanie gazu K/s; Wirowanie Dyspersyjne Chłodzenie w gazie jest powolne, w cieczy do 10,5 K/s, na metalu – do 10,8 K/s. Natryskiwanie śrutowe, natryskiwanie plazmowe, odlewanie cylindrów, odlewanie wirówkowe, obracanie cylindra w kąpieli. Toczenie się pomiędzy dwiema rolkami. Zassanie do kapilary pod próżnią, przeciśnięcie przez matrycę z chłodzeniem w płaszczu. Metody spawania naświetlaniem laserem, iskrą wysokiego napięcia, wyładowaniem gazowym, wiązką elektronów - do K/S
Nanomateriały Nanonauka, nanotechnologia, materiały i przedmioty nanostrukturalne. Wyznaczają priorytetowe obszary polityki naukowo-technologicznej w krajach rozwiniętych. I tak w USA istnieje program o nazwie National Nanotechnology Initiative (budżet ~500 mln dolarów). Unia Europejska przyjęła niedawno szósty program ramowy na rzecz nauki, w którym nanotechnologia zajmuje wiodącą pozycję. Ministerstwo Przemysłu i Nauki Federacji Rosyjskiej oraz Rosyjska Akademia Nauk również posiadają listy priorytetowych, przełomowych technologii z przedrostkiem nano-. Obecna sytuacja jest pod wieloma względami podobna do tej, która poprzedziła totalną rewolucję komputerową, ale konsekwencje rewolucji nanotechnologicznej będą jeszcze większe.
Podstawy nanotechnologii nanos, tłumaczone jako karzeł Zakres nanoobiektów - od pojedynczych atomów (R
Stosunek atomów „powierzchniowych” do „masowych” Udział atomów a znajdujących się w cienkiej warstwie przypowierzchniowej (~1 nm) wzrasta wraz ze zmniejszaniem się wielkości cząstek R, ponieważ a ~ S/V ~ R 2 /R 3 ~ 1/ R (tutaj S jest powierzchnią cząstki, V jest jej objętością). Powszechnie wiadomo, że atomy powierzchniowe mają właściwości inne niż atomy w masie, ponieważ są połączone z sąsiadami w inny sposób niż w masie. Warstwa powierzchniowa może być uznana za nowy stan skupienia.
Objaśnienia do poprzedniego slajdu Przykłady specyficznego zachowania się materii na poziomie skali submikronowej oraz główne przyczyny specyfiki nanoobiektów. 1 – oscylacyjny charakter zmiany właściwości, 2 – wzrost cechy wraz z nasyceniem, 3 – wzrost cechy z maksimum. Wreszcie, jeśli obiekt ma skalę atomową w jednym, dwóch lub trzech kierunkach, jego właściwości mogą znacznie różnić się od właściwości masowych tego samego materiału ze względu na przejaw praw kwantowych w zachowaniu
Biofizycy stworzyli urządzenie nanoelektroniczne oparte na pojedynczej cząsteczce organicznej.Na Uniwersytecie Stanowym w Arizonie stworzyli urządzenie elektroniczne składające się z pojedynczej cząsteczki organicznej. Łańcuch siedmiu fragmentów aniliny zachowuje się jak ujemny rezystor różnicowy. Wynik prac biofizyków można wykorzystać w nanoelektronice.
Co i jak otrzymuje się Wysoko wytrzymałe materiały nanokrystaliczne i amorficzne, cienkowarstwowe i heterostrukturalne elementy mikroelektroniki i optotroniki nowej generacji, miękkie i twarde materiały magnetyczne, materiały nanoporowate dla przemysłu chemicznego i petrochemicznego, zintegrowane urządzenia mikroelektromechaniczne, ogniwa paliwowe, baterie elektryczne i inne konwertery energii, biokompatybilne tkanki do przeszczepów, leki.
Oczy i palce nanotechnologii Sonda, dobrze zaostrzona igła o promieniu wierzchołka ~10 nm) i mechanizm skanujący umożliwiający przesuwanie jej po powierzchni próbki w trzech wymiarach. Zgrubne pozycjonowanie odbywa się za pomocą trójosiowych stołów z napędem silnikowym. Dokładne skanowanie realizowane jest za pomocą trójwspółrzędnych siłowników piezoelektrycznych, które umożliwiają przesuwanie igły lub próbki z dokładnością do ułamków angstremów, do kilkudziesięciu mikrometrów w x i y oraz do jednostek mikrometrów w z.
Obecnie znane metody to skaningowa mikroskopia tunelowa; w nim przykładane jest niewielkie napięcie (~ V) pomiędzy końcówką przewodzącą prąd elektryczny a próbką i rejestrowany jest prąd w szczelinie, w zależności od właściwości i rozmieszczenia atomów na powierzchni badanej próbki; – mikroskopia sił atomowych; rejestruje zmiany siły przyciągania igły do powierzchni od punktu do punktu. Igła znajduje się na końcu belki wspornikowej (wspornika), która ma znaną sztywność i jest zdolna do uginania się pod wpływem małych sił powstających pomiędzy badaną powierzchnią a wierzchołkiem końcówki. Odkształcenie wspornika rejestrowane jest poprzez ugięcie wiązki lasera padającej na jego tylną powierzchnię lub poprzez wykorzystanie efektu piezorezystancyjnego występującego w samym wsporniku; – mikroskopia optyczna bliskiego pola; w nim sondą jest falowód optyczny (włókno), zwężający się na końcu skierowanym w stronę próbki do średnicy mniejszej niż długość fali światła.
Co nas czeka? Pierwszym krokiem w tym kierunku jest stworzenie układów mikro-nanoelektromechanicznych (MEMS/NEMS). Nanorurki, nanowsporniki i po prostu nanoprzewodniki mogą być bardzo czułymi i selektywnymi czujnikami umieszczonymi w tym samym chipie z elektroniką. Można do nich dodać nanopompy i w efekcie powstanie analityczne laboratorium chemiczne zlokalizowane na płycie o powierzchni ~1 cm2.Są już analizatory bojowych środków chemicznych, broni biologicznej, sztucznego nosa i sztucznego języka. do certyfikacji produktów spożywczych (wina, sery, owoce, warzywa).
Zastosowania wojskowe Departament Obrony USA np. finansuje program tworzenia inteligentnego pyłu – inteligentnego pyłu, czyli tzw. inteligentnego pyłu. duża rodzina mikrorobotów wielkości pyłka kurzu, które rozsiane po terytorium wroga mogą penetrować wszystkie szczeliny i kanały komunikacyjne, tworzyć własną sieć, zbierać i przesyłać informacje operacyjne, przeprowadzać operacje specjalne itp.
Medycyna Są też projekty bardziej humanistyczne: stworzenie specjalnych mikrorobotów-lekarzy, którzy będą łączyć w sobie funkcje diagnosty, terapeuty i chirurga, poruszając się po ludzkim układzie krążenia, limfatycznym czy innym. Wyprodukowano już próbki takich robotów, posiadające wszystkie elementy funkcjonalne i wymiary około 1 mm (obecnie 2008 r. - 0,2 mm) i istnieje realna perspektywa zmniejszenia ich rozmiarów do poziomu mikronowego i submikronowego.
Wytwarzanie metali amorficznych możliwe jest poprzez rozdrobnienie wyjściowej bryły krystalicznej do uzyskania struktury amorficznej (ścieżka „z góry na dół”). Ścieżka polega na rozerwaniu regularnego układu atomów w ciele krystalicznym w wyniku zewnętrznych wpływów na kryształ i przekształceniu ciała stałego krystalicznego w ciało stałe amorficzne.
Obecnie znanych jest kilka technicznych metod realizacji tych ścieżek (rys. 1). Ponieważ metal amorficzny z termodynamicznego punktu widzenia jest układem skrajnie nierównowagowym o dużym nadmiarze energii, jego produkcja, w przeciwieństwie do produkcji metalu krystalicznego, wymaga procesów nierównowagowych. Na tym rysunku procesy równowagowe przemian fazowych metalu przedstawiono ciągłymi strzałkami, a procesy nierównowagowe otrzymywania metalu amorficznego przedstawiono strzałkami przerywanymi.
Ryc.1. Metody osiągania stanów równowagowych i nierównowagowych metali
Jak wynika z powyższego diagramu, termodynamicznie nierównowagowy metal amorficzny (i nanokrystaliczny) można otrzymać z dowolnej fazy równowagi:
kondensacja z fazy gazowej. Do tej grupy można, z pewnymi zastrzeżeniami, zaliczyć także metody elektrolitycznego osadzania warstw amorficznych z roztworów elektrolitów;
amorfizacja stanu krystalicznego poprzez wprowadzenie do kryształów dużej liczby defektów;
wygaszanie stanu ciekłego ze stopionego metalu.
Pierwsze dwie metody wytwarzania metali amorficznych – z fazy gazowej i metali krystalicznych – pojawiły się w pierwszej połowie ubiegłego wieku i są stosowane od stosunkowo długiego czasu, nie dotyczą jednak technologii metalurgicznych.
1.1.Metoda elektrolitycznego osadzania warstw amorficznych z roztworów elektrolitów
W szczególności metoda osadzania próżniowego, oparta na zasadzie układania atomów, służy do wytwarzania ultracienkich (10-1...101 nm) folii. Metal podgrzewa się w próżni pod ciśnieniem 10-3...10-9 Pa (najlepiej przy minimalnym możliwym ciśnieniu resztkowym). W tym przypadku pojedyncze atomy odparowują z powierzchni stopu. Atomy poruszające się prostoliniowo w próżni osadzają się na masywnym, schłodzonym podłożu płytowym. W wyniku kondensacji pojedynczych atomów ich nadmiar energii ma czas na pochłonięcie przez podłoże z szybkością odpowiadającą szybkości chłodzenia 109...1013 K/s i wystarczającą do uzyskania stanu amorficznego czystych metali. W tym przypadku, aby otrzymać amorficzną warstwę czystych metali przejściowych, podłoże należy schłodzić do temperatury ciekłego helu.
Metoda osadzania próżniowego pozwala uzyskać amorficzne warstwy żelaza, niklu, kobaltu, manganu, chromu, aluminium, wanadu, palladu, cyrkonu, hafnu, renu, boru, tantalu, wolframu, molibdenu, telluru, antymonu, gadolinu, arsenu i innych pierwiastków. Temperatura krystalizacji i stabilność termiczna natryskiwanych folii zależy od ich grubości. Zatem błonka żelaza o grubości 2,5 nm krystalizuje już w temperaturze 50...60 K, a przy grubości warstwy 15 nm w ogóle nie jest możliwe otrzymanie żelaza w stanie amorficznym.
Wadą tej metody jest to, że atomy gazów resztkowych obecnych w atmosferze komory napylającej kondensują na podłożu jednocześnie z atomami natryskiwanego metalu. Dlatego skład i właściwości natryskiwanej folii zależą od stopnia rozrzedzenia i składu gazów resztkowych.