Kada se polako ohladi ispod tačke kristalizacije, tečnost se nalazi u prehlađenom stanju. Ovo stanje tečnosti je metastabilno, odnosno nakon nekog vremena mora preći u kristalno stanje, koje je energetski povoljno ispod tačke kristalizacije. Ako je došlo do kristalizacije tečnosti, tada se staklena tranzicija više neće primećivati. Međutim, ako je kristalizacija tečnosti iz nekog razloga otežana, odnosno, životni vek metastabilnog stanja je dovoljno dug, onda kada se prehlađena tečnost dovoljno brzo ohladi, njen viskozitet brzo raste i ona prelazi u čvrsto amorfno stanje.

Prijelaz iz staklastog u kristalno stanje, iako je moguć, povezan je s dugim vremenima čekanja i u mnogim slučajevima je praktično neprimjetan.

Mogućnost dobijanja staklastog stanja supstance određena je lakoćom njene kristalizacije. Na osnovu ovog kriterijuma, supstance se mogu podeliti u tri grupe. Prva grupa uključuje mnoge organske polimerne tečnosti. Kristalizacija takvih tečnosti je teška zbog male pokretljivosti njenih dugih polimernih molekula, koji su u složenom isprepletenom stanju. Čak i uz vrlo sporo hlađenje takve tekućine, ona dostiže temperature na kojima dolazi do staklastog prelaska bez kristalizacije. Takve tečnosti se ponekad nazivaju prirodno amorfnim. Prirodno amorfnih je mnogo

prirodne smole. Drugu grupu čine supstance koje se dobro podnose i kristalizaciji (pri sporom hlađenju) i staklastom prelazu. Klasičan primjer je glicerin. Za takve tvari moguće je mjeriti karakteristike i kristala i prehlađene tekućine na istim temperaturama, što se pokazalo važnim za razumijevanje prirode staklastog prijelaza. Tečnosti prve i druge grupe nazivaju se stakloformirajućim. Treća grupa uključuje lako kristalizirajuće tvari za koje se postojanje staklastog stanja dugo smatralo nemogućim. Klasičan primjer takvih supstanci su čisti metali i razne legure. Međutim, nedavno su se pojavile metode za postizanje ultra-brzog hlađenja do 108 K/s. Takvim brzim hlađenjem bilo je moguće dobiti amorfno stanje mnogih metala i legura.

4.2 Metode za dobijanje amorfnih metalnih materijala

Metode za proizvodnju amorfnih materijala mogu se podijeliti u tri grupe:

Hlađenje ultra-velikim brzinama (10 5 -10 7 K/s) rastopljenog metala (gašenje iz tečnog stanja). To uključuje ispuštanje kapi taline na podlogu koja provodi toplinu (hladnjak), izravnavanje kapi između bakarnih ploča, bacanje mlaza taline metala na rotirajući hladnjak (disk ili bubanj), kotrljanje mlaza taline između valjaka, zamrzavanje tanak sloj taline na ivici diska sa visokom provodljivošću toplote koji brzo rotira u vertikalnoj ravni. Ovim metodama se proizvode trake, prahovi i vlakna od metalnih legura.

Taloženje metala iz gasne (parne) faze na ohlađenu podlogu. To uključuje termičko isparavanje, ionsko raspršivanje, raspršivanje plazme, itd. Ove metode se odlikuju velikom brzinom gašenja, što omogućava formiranje amorfnog stanja i za legure koje se ne amorfiziraju tokom gašenja iz taline. Nedostaci ovih metoda su niska produktivnost, složenost i visoka cijena opreme.

Uništavanje kristalne strukture čvrste supstance usled spoljašnjih uticaja. Ovdje je od najvećeg interesa ionska implantacija, uz pomoć koje je moguće dobiti amorfne slojeve na gotovim proizvodima od određenih metala.

Zajednička karakteristika prvih metoda je stvaranje uslova za brzo hlađenje taline koji bi sprečili proces kristalizacije. Praksa pokazuje da je moguće spriječiti kristalizaciju i fiksirati staklasto stanje kontaktom tečne taline sa hladnom metalnom podlogom, koja treba biti izrađena od materijala dobre toplinske provodljivosti. Obično se u tu svrhu koriste bakar, berilijum bronza i mesing. Talina se zagrijava pomoću uređaja za indukcijsko grijanje ili otporne peći.

Postoji nekoliko glavnih uslova čije ispunjenje omogućava dobijanje amorfne legure gašenjem iz tekućeg stanja na sobnoj temperaturi i normalnom atmosferskom pritisku:

Volumetrijski protok taline kroz otvor mlaznice na površinu rotirajućeg diska mora biti konstantan tijekom cijelog vremena formiranja amorfne legure.

Strujanje rastopljenog mlaza mora biti stabilno i zaštićeno od utjecaja sitnih čestica prašine i nekontrolisanih strujanja zraka koje stvaraju rotirajući dijelovi opreme.

Formirajuća površina diska mora biti dobro polirana i imati dobar mehanički i termički kontakt sa rastopljenim mlazom.

Poslednjih godina za dobijanje amorfnih struktura koristi se metoda brzog ionsko-plazma raspršivanja materijala na podlogu. Brzina raspršivanja zavisi i od napona i od gustine jonske struje koja ulazi u metu. Raspršeni atomi napuštaju metu. Dio atoma pada na podlogu i taloži se na nju, dok se dio gubi na posebnim ekranima. Prskanje se vrši u 2 faze:

Preliminarni. Njegovi ciljevi su: 1 - uklanja se gornji kontaminirani sloj mete; 2- na ekrane se taloži film raspršene supstance koji može poslužiti kao hvatač itd. u području podloge stvara se područje sa smanjenim sadržajem nečistoća; 3- proces raspršivanja postaje stacionarniji po prirodi i sastav nanesenog sloja će odgovarati sastavu mete tek nakon nekog vremena, tokom kojeg se sastav raspršenih atoma izjednačava. Nakon što je prethodno raspršivanje završeno, podloga se ionski čisti nekoliko minuta primjenom negativnog potencijala od 100V na nju. Zatim počinje prskanje u radnom režimu. Ova metoda omogućava stvaranje amorfnih struktura složenog sastava debljine do 1 cm.

Takođe, za proizvodnju amorfnih metala trenutno se koristi lasersko zračenje, koje omogućava brzo zagrevanje metala i omogućava hlađenje rastopa brzinom od najmanje 10 5 -10 6 K/s. Brzim topljenjem nastaje homogena tečnost, koja nakon skrućivanja prelazi u tzv. staklo neobičnih fizičkih i mehaničkih svojstava. Proces formiranja slične strukture na površini metalnih materijala naziva se „laserska staklena tranzicija“.

3.1. Amorfni materijali. Metalni materijali su jednostruke ili polikristalne legure. Čelik, liveno gvožđe, duralumin, mesing itd. ljudi ga koriste već duže vrijeme, ali samo novi materijali mogu zadovoljiti nove potrebe. Osnova materijala je često ista kao i polikristalnih materijala, ali pripremljeni drugačijom tehnologijom dobijaju nova svojstva. Sada ćemo razmotriti neke tehnologije

Da bi se dobio amorfni materijal iz gasne faze, potrebno je da kinetička energija deponovanog atoma ne prelazi energiju vezivanja atoma na podlozi. Atomi male pokretljivosti su nasumično postavljeni na podlogu, a samim tim i bez strukture. Mobilni atomi bi se mogli kretati i stvoriti energetski povoljniju strukturu. Prednosti: visoka brzina hlađenja, što osigurava očuvanje amorfnog stanja. Nedostaci: niska brzina rasta amorfnog sloja, zahtjevi za visokim vakuumom i mogućnost da atomi evakuirane atmosfere dođu na podlogu. Specifične tehnologije: Termičko isparavanje u vakuumu Isparavanje laserom ili elektronskim snopom Isparavanje plazmom Katodno raspršivanje Plazmohemija, tj. razlaganje u usijanom pražnjenju Priprema iz gasne faze

Amorfne supstance se dobijaju reakcijama taloženja iz rastvora. Ako se uslovi vrlo brzo promene, tada kristalna struktura možda neće imati vremena da se organizuje i biće amorfna. Metode: isparavanje. Dodavanje precipitanata, na primjer, polarnom otapalu - nepolarnom, ili nepolarnom - polarnom. Elektrolitičko taloženje. Ovdje se fosfor ili bor dodaje u elektrolitsku kupku. Oni potiču stvaranje nekristalnih metala. Termička razgradnja gela. Priprema iz rastvora.

Priprema iz kristalne faze 1. Najtrivijalnije je brzo zagrijati i brzo ohladiti. Ili drugi jaki utjecaji pod kojima atomi mogu napustiti svoje ravnotežne pozicije. 2. Reakcije u čvrstoj fazi. 3. Jaki mehanički utjecaji, na primjer u planetarnom ili vibracionom mlinu, kada se mehanički poremećaj na površini može proširiti duboko u materijal. Na primjer, dislokacije, kojih ima toliko da nema smisla govoriti o kristalnom materijalu. 4. Ozračenje površine neutronima, ili bombardovanje jonima (npr. implantacija jona). Uticaj udarnog talasa.

Priprema iz taline Za dobijanje stakla iz taline potreban je visok viskozitet. Kao što smo ranije raspravljali, kristalizacija se događa kroz formiranje i rast jezgri nove faze. Ako je viskozitet visok, molekulima je potrebno dosta vremena da izgrade kristale. Ako ga brzo ohladite, kristalna struktura neće imati vremena da se poravna. Primjer sa silicijum dioksidom SiO 2. Toplina 1722 C, staklo T 1222 C, viskozitet pri topljenju 1 MPa.s. (Kiseonik, sumpor, selen-halkogeni). Halkogenidna stakla - spojevi sa drugim elementima. Tipični sastavi: Ge S, Ge Se, As S, As Se, Ge S P, Ge As Se, Ge Se Te, As Se Te, Ge As Se Te, itd. Visoka viskoznost čini spojeve amorfnim ili staklastim.

Metalne čaše Metalne čaše se proizvode: ultra-brzim kaljenjem; vrlo brzo hlađenje; raspršivanje gasa K/s; Centrifugiranje Disperzija Hlađenje u gasu je sporo, u tečnosti do 10 5 K/s, na metalu – do 10 8 K/s. Raspršivanje sačma, prskanje plazmom, livenje u cilindrima, livenje u centrifugi, rotirajući cilindar u kadi. Valjanje između dve rolne. Usisavanje u kapilaru pod vakuumom, pritiskanje kroz matricu sa hlađenjem u ljusci. Metode zavarivanja laserskim zračenjem, korišćenjem visokonaponske varnice, gasnog pražnjenja, snopa elektrona - do K/S

Nanomaterijali Nanoznanost, nanotehnologija, nanostrukturirani materijali i objekti. Oni određuju prioritetne oblasti naučne i tehnološke politike u razvijenim zemljama. Tako u SAD postoji program pod nazivom Nacionalna nanotehnološka inicijativa (budžet ~500 miliona dolara). Evropska unija je nedavno usvojila Šesti okvirni program nauke u kojem nanotehnologija zauzima vodeću poziciju. Ministarstvo industrije i nauke Ruske Federacije i Ruska akademija nauka takođe imaju liste prioritetnih, revolucionarnih tehnologija sa prefiksom nano-. Trenutna situacija je po mnogo čemu slična onoj koja je prethodila totalnoj kompjuterskoj revoluciji, ali će posljedice nanotehnološke revolucije biti još veće.

Osnove nanotehnologije nanos, prevedeno kao patuljak Raspon nano-objekata - od pojedinačnih atoma (R

Odnos "površinskih" i "masovnih" atoma Udio atoma a koji se nalazi u tankom sloju blizu površine (~1 nm) raste sa smanjenjem veličine čestica R, jer a ~ S/V ~ R 2 /R 3 ~ 1/ R (ovdje je S površina čestice, V je njen volumen). Dobro je poznato da površinski atomi imaju svojstva koja se razlikuju od atoma u masi, jer su povezani sa svojim susjedima na drugačiji način nego u masi. Površinski sloj se može posmatrati kao novo stanje materije.

Objašnjenja za prethodni slajd Primeri specifičnog ponašanja materije na nivou submikronske skale i glavni razlozi specifičnosti nanoobjekata. 1 - oscilatorna priroda promjene svojstava, 2 - rast karakteristike sa zasićenjem, 3 - rast karakteristike sa maksimumom. Konačno, ako objekt ima atomsku skalu u jednom, dva ili tri smjera, njegova svojstva mogu se oštro razlikovati od zapreminskih svojstava za isti materijal zbog manifestacije kvantnih zakona u ponašanju

Biofizičari su kreirali nanoelektronski uređaj zasnovan na jednom organskom molekulu.Na Državnom univerzitetu u Arizoni kreirali su elektronski uređaj koji se sastoji od jednog organskog molekula. Lanac od sedam anilinskih fragmenata ponaša se kao negativni diferencijalni otpornik. Rezultat rada biofizičara može se koristiti u nanoelektronici.

Šta i kako se dobijaju Nanokristalni i amorfni materijali visoke čvrstoće, tankoslojne i heterostrukturne komponente mikroelektronike i optotronike sledeće generacije, meki i tvrdi magnetni materijali, nanoporozni materijali za hemijsku i petrohemijsku industriju, integrisani mikroelektromehanički uređaji, gorivne ćelije, električne baterije i drugi pretvarači energije, biokompatibilna tkiva za transplantaciju, medicinski lijekovi.

Oči i prsti nanotehnologije Sonda, dobro naoštrena igla sa radijusom vrha od ~10 nm) i mehanizam za skeniranje koji je sposoban da pomera preko površine uzorka u tri dimenzije. Grubo pozicioniranje se vrši pomoću troosnih motorizovanih stolova. Fino skeniranje se provodi pomoću trokoordinatnih piezo aktuatora, koji omogućavaju pomicanje igle ili uzorka s točnošću od frakcija angstroma za desetine mikrometara u x i y i za jedinice mikrometara u z.

Trenutno poznate metode su skenirajuća tunelska mikroskopija; u njemu se između električno provodljivog vrha i uzorka primjenjuje mali napon (~ V) te se snima struja u procjepu, ovisno o svojstvima i rasporedu atoma na površini uzorka koji se proučava; – mikroskopija atomske sile; bilježi promjene u sili privlačenja igle na površinu od tačke do tačke. Igla se nalazi na kraju konzolne grede (konzole) koja ima poznatu krutost i može se savijati pod utjecajem malih sila koje nastaju između ispitivane površine i vrha vrha. Deformacija konzole se bilježi skretanjem laserskog snopa koji upada na njegovu stražnju površinu, ili korištenjem piezorezistivnog efekta koji se javlja u samoj konzoli; – optička mikroskopija bliskog polja; u njoj, sonda je optički talasovod (vlakno), sužava se na kraju okrenutom prema uzorku do prečnika manjeg od talasne dužine svetlosti.
Šta je pred nama? Prvi korak u ovom pravcu je stvaranje mikro-nano-elektromehaničkih sistema (MEMS/NEMS). Nanotipovi, nanokantileveri i jednostavno nanoprovodnici mogu biti vrlo osjetljivi i selektivni senzori smješteni na istom čipu s elektronikom. Mogu im se dodati nano pumpe, a rezultat će biti analitička hemijska laboratorija koja se nalazi na ploči od ~1 cm2. Već postoje analizatori za hemijska ratna sredstva, biološko oružje, veštački nos i veštački jezik za certifikaciju prehrambenih proizvoda (vina, sireva, voća, povrća).

Vojne primjene Ministarstvo odbrane SAD-a, na primjer, finansira program za stvaranje pametne prašine – pametne prašine, tj. velika porodica mikrorobota, veličine zrnca prašine, koji, razbacani po neprijateljskoj teritoriji, mogu prodrijeti u sve pukotine i komunikacijske kanale, stvoriti vlastitu mrežu, prikupljati i prenositi operativne informacije, izvoditi specijalne operacije itd.

Medicina Postoje i humanistički projekti: stvaranje specijalnih mikrorobota doktora koji će kombinovati funkcije dijagnostičara, terapeuta i hirurga, krećući se kroz ljudski cirkulacijski, limfni ili drugi sistem. Uzorci takvih robota su već proizvedeni, sa svim funkcionalnim komponentama i dimenzijama od oko 1 mm (trenutno, 2008. - 0,2 mm), a postoji realna perspektiva da se njihove veličine smanje na mikronski i submikronski nivo.

Poslednjih godina 20. veka pažnja fizičara i naučnika o materijalima bila je privučena upravo takvoj kondenzovanoj materiji, koju karakteriše neuređen raspored atoma u svemiru. Engleski fizičar J. Ziman izrazio je opći interes za neuređeno stanje na sljedeći način: „Neuređene faze kondenzirane tvari - čelik i staklo, zemlja i voda, iako bez ostalih elemenata, vatre i zraka - susreću se neuporedivo češće i praktičnije termini nisu ništa manje važni od idealiziranih monokristala, koji su ne tako davno bili jedina briga fizike čvrstog stanja.”

Među čvrstim kondenzovanim materijama posebnu pažnju zaslužuju takozvana metalna stakla - amorfne metalne legure (AMA) sa neuređenim rasporedom atoma u prostoru. Donedavno je koncept „metala“ bio povezan s konceptom „kristala“, čiji se atomi nalaze u svemiru na strogo uređen način. Međutim, početkom 60-ih. U naučnom svijetu se proširila poruka da su dobijene legure metala koje nemaju kristalnu strukturu. Metali i legure sa nasumičnim rasporedom atoma počeli su se nazivati ​​amorfnim metalnim staklima, odajući počast analogiji koja postoji između neuređene strukture metalne legure i neorganskog stakla.

Otkriće amorfnih metala dalo je veliki doprinos nauci o metalima, značajno promijenivši naše razumijevanje o njima. Pokazalo se da se amorfni metali upadljivo razlikuju po svojim svojstvima od metalnih kristala, koji se odlikuju uređenim rasporedom atoma.

AMC se dobija brzim gašenjem taline pri brzinama hlađenja tečnog metala od 10 4 –10 6 °C/s i pod uslovom da legura sadrži dovoljnu količinu amorfizujućih elemenata. Amorfizatori su nemetali: bor, fosfor, silicijum, ugljenik. Shodno tome, legure amorfnih metala dijele se na legure "metal-nemetal" i "metal-metal".

Meke magnetne legure sistema „metal – nemetal“ se široko koriste u industriji. Proizvode se na bazi feromagnetnih metala - gvožđa, nikla, kobalta, koristeći različite kombinacije nemetala kao amorfizatora.

Struktura amorfnih legura slična je strukturi smrznute tekućine. Stvrdnjavanje se događa tako brzo da se atomi supstance zamrzavaju na pozicijama koje su zauzimali dok su bili u tekućem stanju. Amorfnu strukturu karakterizira odsustvo dalekometnog reda u rasporedu atoma (slika 1), zbog čega nema kristalne anizotropije, nema granica blokova, zrna i drugih strukturnih defekata tipičnih za polikristalne legure.

Slika 1. Kompjuterski modeli strukture dugoročnih (a) i kratkoročnih (b) naloga

Posljedica ove amorfne strukture su neobična magnetska, mehanička, električna svojstva i otpornost na koroziju amorfnih metalnih legura. Uz visoku magnetsku mekoću (nivo elektromagnetskih gubitaka u amorfnim legurama sa visokom magnetskom indukcijom je znatno niži nego kod svih poznatih kristalnih legura), ovi materijali pokazuju izuzetno visoku mehaničku tvrdoću i vlačnu čvrstoću, u nekim slučajevima imaju i koeficijent termičkog širenja. blizu nule, a njihova električna otpornost je tri do četiri puta veća od vrijednosti za željezo i njegove legure. Neke od amorfnih legura karakteriše visoka otpornost na koroziju.

Stvrdnjavanje sa formiranjem amorfne strukture u osnovi je moguće za sve metale i legure. Za praktičnu primjenu obično se koriste legure prijelaznih metala (Fe, Co, Mn, Cr, Ni, itd.) u koje se dodaju amorfni elementi poput B, C, Si, P, S kako bi se formirala amorfna struktura. amorfne legure obično sadrže oko 80% (at.) jednog ili više prelaznih metala i 20% metaloida koji se dodaju da formiraju i stabilizuju amorfnu strukturu. Sastav amorfnih legura je sličan prema formuli M 80 X 20, gdje je M jedan ili više prelaznih metala, a X jedan ili više amorfizatora. Poznate su amorfne legure čiji sastav odgovara datoj formuli: Fe 70 Cr 10 P 15 B 5, Fe 40 Ni 40 Si 14 B 6, Fe 80 P 13 B 7, itd. Amorfizatori snižavaju tačku topljenja i pružaju prilično brzo hlađenje taline ispod njegove temperature staklastog prijelaza tako da se formira amorfna faza. Na termičku stabilnost amorfnih legura najviše utiču silicijum i bor; legure sa borom i ugljenikom imaju najveću čvrstoću, a otpornost na koroziju zavisi od koncentracije hroma i fosfora.

Amorfne legure su u termodinamički neravnotežnom stanju. Zbog svoje amorfne prirode, metalna stakla imaju svojstva svojstvena nemetalnim staklima: kada se zagriju, prolaze kroz strukturnu relaksaciju, devitrifikaciju i kristalizaciju. Stoga je za stabilan rad proizvoda od amorfnih legura potrebno da njihova temperatura ne prelazi određenu radnu temperaturu određenu za svaku leguru.

2. Metode za proizvodnju amorfnih legura

Ultra visoke brzine hlađenja tečnog metala za dobijanje amorfne strukture ostvaruju se na različite načine. Zajedničko im je da osiguraju brzinu hlađenja od najmanje 10 6 °C/s.

Postoje različite metode za proizvodnju amorfnih legura: katapultiranje kapi na hladnu ploču, prskanje mlaza plinom ili tekućinom, centrifugiranje kapi ili mlaza, topljenje tankog filma metalne površine laserom uz brzo odvođenje topline mase osnovni metal, ultra-brzo hlađenje iz gasovitog medija itd.

Upotreba ovih metoda omogućava dobijanje traka različitih debljina, žice i praha.

Primam traku. Najefikasnije metode za industrijsku proizvodnju amorfne trake su hlađenje mlaza tekućeg metala na vanjskim (diskovno gašenje) ili unutarnjim (centrifugalno kaljenje) površinama rotirajućih bubnjeva ili valjanje taline između hladnih valjaka izrađenih od materijala visoke toplinske provodljivosti.

Na slici 2 prikazani su šematski dijagrami ovih metoda. Talina dobivena u indukcijskoj peći se istiskuje iz mlaznice neutralnim plinom i stvrdnjava se pri kontaktu s površinom rotirajućeg ohlađenog tijela (hladnjak). Razlika je u tome što se u metodama centrifugalnog i diskastog kaljenja rastopina hladi samo s jedne strane. Glavni problem je postizanje dovoljnog stepena čistoće vanjske površine koja ne dolazi u kontakt sa frižiderom. Metoda topljenog valjanja daje dobar kvalitet na obje površine trake, što je posebno važno za amorfne trake koje se koriste za magnetne glave za snimanje. Svaka metoda ima svoja ograničenja u pogledu veličine traka, budući da postoje razlike u procesu očvršćavanja i opremi koja se koristi. Ako je tijekom centrifugalnog stvrdnjavanja širina trake do 5 mm, tada se valjanjem dobijaju trake širine 10 mm ili više. Metoda očvršćavanja diskom, koja zahtijeva jednostavniju opremu, omogućava variranje širine trake u širokom rasponu ovisno o veličini lončića za topljenje. Ova metoda omogućava proizvodnju kako uskih traka širine 0,1-0,2 mm, tako i širokih - do 100 mm, a tačnost širine može biti ±3 mikrona. Razvijaju se instalacije sa maksimalnim kapacitetom lončića do 50 kg.

Slika 2: a - centrifugalno otvrdnjavanje; b - otvrdnjavanje na disku; c - valjanje taline; g - centrifugalno otvrdnjavanje; d - planetarno otvrdnjavanje

U svim instalacijama za gašenje, metal se brzo stvrdnjava iz tekućeg stanja, šireći se u tankom sloju po površini rotacionog frižidera. Ako je sastav legure konstantan, brzina hlađenja ovisi o debljini taline i karakteristikama hladnjaka. Debljina taline na frižideru određena je brzinom njegove rotacije i protokom taline, odnosno zavisi od prečnika mlaznice i pritiska gasa na talini. Od velike važnosti je ispravan izbor kuta dovoda taline na disk, što vam omogućava da povećate trajanje kontakta metala s hladnjakom. Brzina hlađenja zavisi i od svojstava same taline: toplotne provodljivosti, toplotnog kapaciteta, viskoziteta, gustine.

Žica za prijem. Za dobivanje tanke amorfne žice koriste se različite metode izvlačenja vlakana iz taline (slika 3).

Slika 3: a - provlačenje taline kroz rashladno sredstvo (ekstruzija taline); b - izvlačenje konca iz rotirajućeg bubnja; c - izvlačenje taline u staklenoj kapilari; 1 - rastopiti; 2 - rashladna tečnost; 3 - staklo; 4 - mlaznica; 5 - namotavanje žice

Prva metoda (slika 3, a) - rastopljeni metal se uvlači u okruglu cijev kroz vodeni rastvor soli. Druga metoda (slika 3, b) - mlaz rastopljenog metala pada u tekućinu koju centrifugalna sila drži na unutrašnjoj površini rotirajućeg bubnja: očvrsnuta nit se zatim odmotava od rotirajuće tekućine. Poznata metoda sastoji se od proizvodnje amorfne žice uvlačenjem taline što je brže moguće u staklenu kapilaru (slika 3, c). Ova metoda se zove Taylorova metoda. Vlakno se dobija uvlačenjem taline istovremeno sa staklenom cevi, a prečnik vlakna je 2-5 mikrona. Glavna poteškoća je u odvajanju vlakna od stakla koje ga prekriva, što prirodno ograničava sastav legura amorfiziranih ovom metodom.

Priprema prahova. Za proizvodnju praha amorfne legure možete koristiti metode i opremu koja se koristi za proizvodnju konvencionalnih metalnih prahova.

Na slici 4. shematski je prikazano nekoliko metoda koje omogućavaju dobivanje amorfnih prahova u velikim količinama. Među njima treba istaknuti metode prskanja (slika 4, a) koje su se dokazale.

Slika 4: a - metoda prskanja (metoda prskanja); b - metoda kavitacije; c - metoda prskanja taline rotirajućim diskom; 1 - prah; 2 - sirovina; 3 - mlaznica; 4 - rashladna tečnost; 5 - hlađena ploča

Poznato je da se amorfni prah proizvodi metodom kavitacije, koja se ostvaruje valjanjem taline u rolnama, i metodom raspršivanja taline rotirajućim diskom. U metodi kavitacije (slika 4, b), rastopljeni metal se istiskuje u razmak između dva valjaka (0,2-0,5 mm), napravljenih, na primjer, od grafita ili bor nitrida. Dolazi do kavitacije - talina se izbacuje valjcima u obliku praha, koji pada na ohlađenu ploču ili u rashladni vodeni rastvor. U razmaku između valjaka dolazi do kavitacije, zbog čega mjehurići plina prisutni u metalu nestaju. Metoda prskanja rotirajućim diskom (slika 4, c) je u principu slična prethodno opisanoj metodi proizvodnje tanke žice, ali se ovdje rastopljeni metal, koji ulazi u tekućinu, raspršuje zbog svog turbulentnog kretanja. Ovom metodom se dobija prah u obliku granula prečnika oko 100 mikrona.

3. Označavanje, svojstva i primjena amorfnih legura

Označavanje amorfnih legura vrši se u skladu s TU 14-1-4972-91 koristeći alfanumerički sistem označavanja. Elementi su označeni slovima ruske abecede na isti način kao što je predviđeno za čelik. Brojevi ispred slovne oznake elementa označavaju njegov prosječni sadržaj u leguri. Sadržaj silicija i bora nije naznačen u oznaci marke, njihov ukupan sadržaj, kao amorfizujućih elemenata, iznosi 20-25% (at.).

Hemijski sastav amorfnih legura je takođe označen simbolima hemijskih elemenata sa digitalnim indeksima koji označavaju sadržaj datog elementa (% (at.)), na primer, Fe 31 B 14 Si 4 C 2. Legure proizvedene u industrijskom obimu nazivaju se Metglas u SAD, Vitrovac u Njemačkoj i Amomet u Japanu. Ovim imenima se dodaje kodni broj.

Zbog metalne prirode veze, mnoga svojstva metalnih stakla značajno se razlikuju od svojstava nemetalnih stakla. To uključuje viskoznu prirodu razaranja, visoku električnu i toplotnu provodljivost i optičke karakteristike.

Gustoća amorfnih legura je samo 1-2% manja od gustine odgovarajućih kristalnih tijela. Metalna stakla imaju zbijenu strukturu, veoma različitu od labavije strukture nemetalnih stakla sa usmjerenim vezama.

Amorfni metali su materijali visoke čvrstoće. Uz visoku čvrstoću, karakteriše ih dobra duktilnost na kompresiju (do 50%) i savijanje. Na sobnoj temperaturi, amorfne legure se hladno valjaju u tanku foliju. Traka od amorfne legure Ni 49 Fe 29 P 14 B 6 A 12 debljine 25 mikrona može se saviti oko vrha oštrice bez stvaranja mikropukotina. Međutim, kada su rastegnuti, njihovo relativno izduženje nije više od 1-2%. To se objašnjava činjenicom da se plastična deformacija javlja u usko (10-40 nm) lokaliziranim posmičnim trakama, a izvan ovih traka deformacija se praktički ne razvija, što dovodi do niskih vrijednosti makroskopske vlačne plastičnosti. Granica tečenja amorfnih legura Fe 40 Ni 40 P 14 B 6, Fe 80 B 20, Fe 60 Cr 6 Mo 6 B 28 je 2.400, 3.600, 4.500 MPa, a granica tečenja čelika visoke čvrstoće je obično ne više od 2 500 MPa.

Amorfne legure karakteriše jasna linearna veza između tvrdoće i čvrstoće. Za legure na bazi Fe, Ni i Co vrijedi izraz HV = 3,2 σ t, što omogućava korištenje očitavanja tvrdoće s dovoljnom preciznošću za određivanje karakteristika čvrstoće. Energija loma i udarna čvrstoća amorfnih legura također značajno premašuju ove karakteristike konvencionalnih kristalnih materijala - čelika i legura, a još više anorganskih stakla. Priroda loma ukazuje na duktilni lom metalnih stakla. To može biti zbog njihovog adijabatskog zagrijavanja kao rezultat plastične deformacije.

Amorfne strukturne legure . AMC imaju vrijedan skup mehaničkih svojstava. Prije svega, njihova karakteristika je kombinacija visoke tvrdoće i čvrstoće. Tvrdoća HV može doseći vrijednosti veće od 1.000, a čvrstoća - 4.000 MPa i više. Na primjer, legura Fe 46 Cr 16 Mo 20 C 18 ima tvrdoću od HV 1.150 sa čvrstoćom od 4.000 MPa; legura Co 34 Cr 28 Mo 20 C 18 - 1.400 i 4.100 MPa, respektivno.

Amorfne strukturne legure karakterizira visoka elastična deformacija - oko 2%, niska duktilnost - δ = 0,03–0,3%. Međutim, legure se ne mogu svrstati u lomljive materijale, jer se mogu štancati, rezati i valjati. Legure su pogodne za hladno valjanje sa smanjenjem od 30-50% i izvlačenje sa smanjenjem do 90%.

Mehanička svojstva nekih amorfnih legura data su u tabeli 1.

Tabela 1 - Mehanička svojstva amorfnih metalnih legura

Legura	HV	σ in	σ 0.2	E,	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	–

* Na -269 °C.

Uz visoka mehanička svojstva, amorfne strukturne legure imaju dobru otpornost na koroziju. Mogućnost korištenja amorfnih strukturnih legura ograničena je relativno niskom temperaturom (Tcryst) njihovog prijelaza u kristalno stanje pri zagrijavanju, prisustvom lomljivosti do temperature koja se javlja pri kratkotrajnom zagrijavanju na temperature znatno niže od Tcryst, kao i zbog činjenica da je asortiman proizvedenih materijala ograničen. Proizvode se samo tanke trake, folije i niti. Masivni blankovi i proizvodi mogu se dobiti metodama metalurgije praha. Međutim, uobičajena tehnologija - sinteriranje praškastih praznina - neprihvatljiva je zbog niske toplinske stabilnosti amorfnih materijala. Eksperimentalno se eksplozivnim prešanjem pripremaju uzorci iz amorfnog praha.

Vijek trajanja amorfne legure ovisi o radnoj temperaturi. Toplinska otpornost amorfnih legura je niska. Međutim, postoje materijali s Tkristima većim od 725 °C. To posebno uključuje leguru Ti 40 Ni 40 Si 20 sa visokim mehaničkim svojstvima: HV 1070, σ in = 3,450 MPa i specifičnom čvrstoćom σ in /(ρg) = 58 km (ρ - gustina; g - ubrzanje slobodnog pada) .

AMC pređe visoke čvrstoće se može koristiti u kompozitnim materijalima, a trake se mogu koristiti kao namotaji za jačanje posuda pod pritiskom.

Amorfne metalne legure su obećavajući materijali za proizvodnju elastičnih elemenata. Legura Ti 40 Be 40 Zr 10, koja ima visoku otpornost na relaksaciju i elastičnu rezervu energije, zaslužuje pažnju. Efektivna sila opruga napravljenih od ove legure je za red veličine veća od opruga napravljenih od konvencionalnih polikristalnih metala.

Odsutnost granica zrna, visoka tvrdoća, otpornost na habanje i otpornost na koroziju amorfnih legura omogućavaju izradu visokokvalitetnih alata s tankim rubovima, kao što su oštrice za brijanje, od njih.

Amorfizacija površinskih slojeva proizvoda laserskom obradom (u cilju povećanja njihove tvrdoće) može konkurirati tradicionalnim metodama površinskog kaljenja. Ovom metodom je, posebno, povećana površinska tvrdoća monokristalne legure Ni 60 Nb 40 za red veličine (HV 1,050) i postignuta tvrdoća od HV 1,200 na površini proizvoda od livenog gvožđa sastava: 3,20% C ; 2,60% Si; 0,64% Mn, 0,06% R.

Meke magnetne i tvrde magnetne amorfne legure . Amorfne meke magnetne legure se koriste u elektronskim proizvodima. Prema svom hemijskom sastavu legure se dele na tri sistema: na bazi gvožđa, gvožđa i nikla, gvožđa i kobalta. Razvijen je veliki broj sastava amorfnih metalnih materijala, ali se legure ograničenog opsega proizvode u eksperimentalnim i pilot serijama.

AMS na bazi gvožđa karakteriše visoka indukcija zasićenja (1,5–1,8 T). U tom pogledu, oni su drugi nakon električnih čelika i legura željeza i kobalta. Upotreba AMS-a u energetskim transformatorima je obećavajuća. Međutim, to zahtijeva promjenu tehnologije izrade transformatora (namotavanje trake na zavojnice transformatora, žarenje u magnetskom polju i inertnoj sredini, posebni uvjeti za zaptivanje i impregnaciju jezgara). Ova AMS grupa uključuje legure: 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, itd.

Gvožđe-nikl AMS imaju visoku magnetnu permeabilnost; u smislu indukcije zasićenja uporedivi su sa metalnim magnetnim legurama i feritima, imaju nisku koercitivnu silu i visoku pravougaonost petlje histereze. AMC se koriste za proizvodnju transformatora i elektromagnetnih uređaja koji rade na višim frekvencijama, što omogućava smanjenje dimenzija proizvoda. Ova AMS grupa uključuje legure: 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 , itd.

Visoko propusne legure amorfnih metala željezo-kobalt može zamijeniti visokoindukcijske permaloje u elektronskoj opremi, nadmašujući potonju po nekim svojstvima i proizvodnosti. Trake od amorfnih legura kobalta koriste se u jezgrama malih visokofrekventnih transformatora za različite namjene, posebno za sekundarna napajanja i magnetna pojačala. Koriste se u detektorima curenja struje, telekomunikacionim sistemima i kao senzori (uključujući fluxgate tip), za magnetne ekrane i senzore osetljive na temperaturu, kao i visoko osetljive modulacione magnetne pretvarače.

Legure se koriste za magnetne glave koje se koriste za snimanje i reprodukciju informacija. Zbog svoje povećane otpornosti na abraziju i visokih magnetnih svojstava u poljima niskog intenziteta, legure na bazi kobalta su superiornije u nizu parametara u odnosu na meke magnetne materijale koji su se tradicionalno koristili u ove svrhe. Ova grupa AMS uključuje legure: 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 itd. .

Metodom katodnog raspršivanja dobijeni su amorfni filmovi od tvrde magnetne legure SmCo 5 sa magnetskom energijom od 120 kT·A/m, koji se mogu koristiti za izradu malih trajnih magneta različite namjene.

Invar amorfne legure. Neki AMC-ovi na bazi željeza (93ZhKhR-A, 96ZhR-A) imaju nizak koeficijent linearne ekspanzije α u određenim temperaturnim rasponima< 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.

Otporne amorfne legure imaju visoku električnu otpornost. Od njih se izrađuju mikrožice u staklenoj izolaciji. AMS (Ni–Si–B sistemi) povoljno se porede po svojstvima sa kristalnim legurama. Imaju red veličine manji termički koeficijent električnog otpora i 1,5 puta veću električnu otpornost. Legure su paramagnetne, otporne na koroziju, imaju linearnu temperaturnu zavisnost emf i relativno visoku temperaturu kristalizacije. Odsustvo magnetokristalne anizotropije, u kombinaciji s prilično visokim električnim otporom, smanjuje gubitke vrtložnih struja, posebno na visokim frekvencijama. Gubici u jezgri od amorfne legure Fe 81 B 13 Si 4 C 2 razvijene u Japanu su 0,06 W/kg, odnosno približno dvadeset puta manji od gubitaka u zrnasto orijentisanim transformatorskim čeličnim limovima. Uštede zbog smanjenja gubitaka energije na histerezi pri korištenju legure Fe 83 B 15 Si 2 umjesto transformatorskih čelika iznose 300 miliona dolara godišnje samo u SAD-u. Mogu se koristiti ne samo za izradu preciznih otpornika, već i za mjerenje naprezanja pri mjerenju deformacija i mikropomaka itd. U legure ove grupe spadaju: 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, itd.

Obećavajuća područja primjene AMS-a. Kombinacija visoke čvrstoće, otpornosti na koroziju i habanje, kao i mekih magnetskih svojstava ukazuje na mogućnost različitih primjena. Na primjer, moguće je koristiti takva stakla kao induktore u uređajima za magnetnu separaciju. Proizvodi tkani od trake korišteni su kao magnetni ekrani. Prednost ovih materijala je što se mogu rezati i savijati u željene oblike bez ugrožavanja njihovih magnetskih svojstava.

Poznato je da se amorfne legure koriste kao katalizatori za hemijske reakcije. Na primjer, pokazalo se da je amorfna legura Pd–Rb katalizator za reakciju razgradnje NaCl (aq) u NaOH i Cl 2, a legure na bazi željeza daju veći prinos (oko 80%) u odnosu na željezni prah (oko 15%) u reakciji sinteze 4H 2 + 2CO = C 2 H 4 + 2 H 2 O.

Budući da su stakla jako prehlađene tekućine, njihova kristalizacija kada se zagrije obično se odvija uz jaku nukleaciju, što rezultira homogenim, izuzetno sitnozrnatim metalom. Takva kristalna faza ne može se dobiti konvencionalnim metodama obrade. To otvara mogućnost dobivanja posebnih lemova u obliku tanke trake. Ova traka se lako savija i može se rezati i štancati kako bi se dobila optimalna konfiguracija. Za lemljenje je veoma važno da traka bude homogena po sastavu i da obezbedi pouzdan kontakt na svim tačkama proizvoda koji se lemi. Lemovi imaju visoku otpornost na koroziju. Koriste se u vazduhoplovnoj i svemirskoj tehnici.

U budućnosti je moguće dobiti supravodljive kablove kristalizacijom početne amorfne faze.

Amorfne legure gvožđa i nikla koje sadrže hrom nude neobično visoku otpornost na koroziju u širokom spektru korozivnih okruženja.

Na slici 5 prikazane su stope korozije kristalnih uzoraka kromiranih čelika i amorfnih legura Fe 80-x Cr x P 13 C 7, određene na osnovu gubitka mase uzoraka držanih u koncentriranoj otopini NaCl. Otpornost na koroziju legura sa sadržajem hroma iznad 8% (at.) je nekoliko redova veličine veća od otpornosti klasičnih nerđajućih čelika.

Slika 5. Utjecaj sadržaja hroma na brzinu korozije amorfne legure Fe 80-x Cr x P 13 C 7 (1) i kristalnog Fe–Cr (2) i NaCl na 30 °C

Amorfna legura koja ne sadrži hrom korodira brže od kristalnog gvožđa, međutim (kako se sadržaj hroma povećava), brzina korozije amorfne legure naglo opada i pri sadržaju od 8% (at.) Cr više se ne detektuje mikrovagama nakon izlaganja od 168 sati.

Amorfne legure praktički nisu podložne pitting koroziji čak ni u slučaju anodne polarizacije u hlorovodoničkoj kiselini.

Visoka otpornost na koroziju nastaje zbog stvaranja pasivizirajućih filmova na površini koji imaju visoka zaštitna svojstva, visok stepen uniformnosti i brzo formiranje. Osim hroma, uvođenje fosfora pomaže u povećanju otpornosti na koroziju. Film kristalnih čelika sa visokim sadržajem hroma uvek sadrži mikropore, koje se vremenom transformišu u džepove korozije. Na amorfnim legurama koje sadrže određenu količinu kroma i fosfora može se formirati pasivizirajući film visokog stupnja homogenosti čak i u 1 N. rastvor HCl. Formiranje homogenog pasivizirajućeg filma osigurano je kemijskom i strukturnom homogenošću amorfne faze, lišene kristalnih defekata (precipitati viška faze, segregacijske formacije i granice zrna).

Legura Fe 45 Cr 25 Mo 10 P 13 C 7, pasivizira se čak i u tako koncentrovanom rastvoru kao što je 12 N. Rastvor HCl na 60 °C, gotovo ne korodira. Ova legura je superiornija od metala tantala u svojoj otpornosti na koroziju.

Amorfni metali se često nazivaju materijalima budućnosti, zbog jedinstvenosti njihovih svojstava, koja se ne nalaze u običnim kristalnim metalima (tabela 2).

Tabela 2 - Svojstva i glavna područja primjene amorfnih metalnih materijala

Nekretnina	Aplikacija	Sastav legure
Visoka čvrstoća, visoka žilavost	Žica, armaturni materijali, opruge, alati za rezanje	Fe75Si10B15
Visoka otpornost na koroziju	Elektrodni materijali, filteri za rad u kiselim rastvorima, morskoj vodi, otpadnim vodama	Fe45Cr25Mo10P13C7
Visoka gustina magnetnog fluksa zasićenja, mali gubici	Jezgra transformatora, pretvarači, prigušnice	Fe81B13Si4C2
Visoka magnetna permeabilnost, niska koercitivnost	Magnetne glave i ekrani, magnetometri, signalni uređaji	Fe5Co70Si10B15
Konstantnost modula elastičnosti i temperaturnog koeficijenta linearne ekspanzije	Invar i elitni materijali	Fe83B17

Široka distribucija amorfnih metala otežava visoka cijena, relativno niska termička stabilnost, kao i mala veličina rezultirajućih traka, žica i granula. Osim toga, upotreba amorfnih legura u konstrukcijama je ograničena zbog njihove niske zavarljivosti.

Na osnovu relativnog rasporeda atoma i molekula, materijali mogu biti kristalni ili amorfni. Nejednaka struktura kristalnih i amorfnih tvari također određuje razliku u njihovim svojstvima. Amorfne supstance, koje imaju neutrošenu unutrašnju energiju kristalizacije, hemijski su aktivnije od kristalnih istog sastava (na primer, amorfni oblici silicijum dioksida: plavac, tripolit, dijatomiti u poređenju sa kristalnim kvarcom).

Značajna razlika između amorfnih i kristalnih supstanci je u tome što kristalne supstance, kada se zagreju (pri konstantnom pritisku), imaju određenu tačku topljenja. A amorfni omekšaju i postepeno prelaze u tečno stanje. Čvrstoća amorfnih supstanci u pravilu je manja od kristalnih, stoga se za dobivanje materijala povećane čvrstoće posebno provodi kristalizacija, na primjer, pri proizvodnji staklokristalnog materijala - staklokeramike.

Kod kristalnih materijala istog sastava mogu se uočiti različita svojstva ako su formirani u različitim kristalnim oblicima, što se naziva modifikacijama (fenomen polimorfizma). Na primjer, polimorfne transformacije kvarca praćene su promjenom volumena. Promjena svojstava materijala promjenom kristalne rešetke koristi se u toplinskoj obradi metala (otvrdnjavanje ili kaljenje).

-Uticaj sastava i strukture materijala na njihova svojstva. Vrste konstrukcija građevinskih materijala.

Svojstva građevinskih materijala u velikoj su mjeri povezana s posebnostima njihove strukture i svojstvima tvari od kojih se materijal sastoji. Zauzvrat, struktura materijala ovisi: za prirodne materijale - o njihovom porijeklu i uvjetima formiranja, za umjetne - o tehnologiji proizvodnje i obrade materijala. Stoga, kada proučava kurs građevinskih materijala, graditelj mora prije svega razumjeti ovu vezu. Istovremeno, tehnologiju i obradu materijala treba posmatrati sa stanovišta njihovog uticaja na strukturu i svojstva dobijenog materijala.

Građevinski materijali se odlikuju hemijskim, mineralnim i faznim sastavom.

U zavisnosti od hemijskog sastava, svi građevinski materijali se dele na: organske (drvo, bitumen, plastika itd.), mineralne (beton, cement, cigla, prirodni kamen itd.) i metale (čelik, liveno gvožđe, aluminijum). Svaka od ovih grupa ima svoje karakteristike. Dakle, svi organski materijali su zapaljivi, a mineralni materijali otporni na vatru; metali dobro provode struju i toplotu. Hemijski sastav nam omogućava da procenimo i druge tehničke karakteristike (biostabilnost, trajnost, itd.). Hemijski sastav nekih materijala (anorganska veziva, kameni materijali) često se izražava brojem oksida koje sadrže.

Oksidi koji su kemijski povezani jedni s drugima formiraju minerale koji karakteriziraju mineralni sastav materijala. Poznavajući minerale i njihovu količinu u materijalu, može se suditi o svojstvima materijala. Na primjer, sposobnost anorganskih veziva da se stvrdnu i održe čvrstoću u vodenoj sredini je posljedica prisustva silikatnih minerala, aluminata i kalcijevih ferita u njima, a uz njihovu veliku količinu ubrzava se proces stvrdnjavanja i povećava čvrstoća. cementnog kamena se povećava.

Pri karakterizaciji faznog sastava materijala razlikuju se: čvrste supstance koje formiraju zidove pora („okvir“ materijala) i pore ispunjene vazduhom i vodom. Fazni sastav materijala i fazni prelazi vode u njegovim porama utiču na sva svojstva i ponašanje materijala tokom rada.

Ništa manji uticaj na svojstva materijala imaju njegova makro- i mikrostruktura i unutrašnja struktura supstanci koje čine materijal na nivou molekularnih jona.

Makrostruktura materijala je struktura vidljiva golim okom ili uz malo povećanje. Mikrostruktura materijala je struktura vidljiva pod mikroskopom. Unutrašnja struktura biljke proučavana je analizom rendgenske difrakcije, elektronskom mikroskopom itd.

Na mnogo načina, svojstva materijala određuju broj, veličinu i prirodu pora. Na primjer, porozno staklo (pjenasto staklo), za razliku od običnog stakla, je neprozirno i vrlo lagano.

Oblik i veličina čvrstih čestica također utiču na svojstva materijala. Dakle, ako izvučete tanka vlakna iz taline običnog stakla, dobijate laganu i meku staklenu vunu.

U zavisnosti od oblika i veličine čestica i njihove strukture, makrostruktura čvrstih građevinskih materijala može biti zrnasta (rastresito zrnasta ili konglomeratna), ćelijska (fino porozna), vlaknasta i slojevita.

Rastresiti materijali se sastoje od pojedinačnih zrnaca koji nisu međusobno povezani (pijesak, šljunak, praškasti materijali za izolaciju mastikom i zasipanje itd.).

Struktura konglomerata, kada su zrna međusobno čvrsto povezana, karakteristična je za razne vrste betona, neke vrste prirodnih i keramičkih materijala itd.

Ćelijsku (finoporoznu) strukturu karakterizira prisustvo makro- i mikropora, karakterističnih za plin i pjenasti beton, ćelijsku plastiku i neke keramičke materijale.

Vlaknasti i slojeviti materijali, kod kojih su vlakna (slojevi) smještena paralelno jedno s drugim, imaju različita svojstva duž i poprijeko vlakana (slojeva). Ovaj fenomen se naziva anizotropija, a materijali s takvim svojstvima su anizotropni. Vlaknasta struktura svojstvena je proizvodima od drveta i mineralne vune, a slojevita struktura je svojstvena rolnama, limovima i pločama sa slojevitim punilom (papirna plastika, tekstolit itd.).

PREZENTACIJA

disciplina: Procesi za dobijanje nanočestica i nanomaterijala

na temu: “Priprema nanomaterijala pomoću transformacija čvrste faze”

Završeno:

Student gr. 4301-11

Mukhamitova A.A.

Kazanj, 2014

	UVOD
1.
	1.1.	METODA ELEKTROLITIČKOG NANOŠENJA AMORFNIH FILMOVA IZ RASTVORA ELEKTROLITA
	1.2.	AMORFIZACIJA STANJA KRISTALA UNOŠENJEM VELIKOG BROJA DEFEKATA U KRISTALE
	1.3.	INTENZIVNA PLASTIČNA DEFORMACIJA
	1.4.	GAŠENJE TEČNOG STANJA
2.	PREDNOSTI I NEDOSTACI METODE ZA DOBIJANJE NANOMATERIJALA POMOĆU ČVRSTOFAZNIH TRANSFORMACIJA
	ZAKLJUČAK
	LISTA KORIŠTENE REFERENCE

UVOD

Nedavno je razvijen niz metoda za proizvodnju nanomaterijala u kojima se disperzija vrši u čvrstom stanju bez promjene agregacijskog stanja.

Kontrolirana kristalizacija iz amorfnog stanja je jedna od metoda za proizvodnju masovnih nanomaterijala. Metoda se sastoji od dobijanja amorfnog materijala, na primjer, gašenjem iz tekućeg stanja, a zatim ga kristalizira pod kontroliranim uvjetima zagrijavanja.

Amorfni su metali koji se nalaze u čvrstom stanju, u kojem raspored atoma nema daljinski poredak, karakterističan za metale u uobičajenom stanju, tj. kristalno stanje. Za karakterizaciju metala u ovom stanju, također se koriste termini „metalno staklo” i, rjeđe, „nekristalni metali”. Amorfno stanje je granični slučaj termodinamičke nestabilnosti čvrstih metalnih sistema, suprotno termodinamičkom stanju kristala bez defekata.

Hiljadama godina, čovječanstvo je koristilo čvrste metale isključivo u kristalnom stanju. Tek kasnih 30-ih godina 20. stoljeća pojavili su se pokušaji dobivanja nekristalnih metalnih prevlaka u obliku tankih filmova primjenom vakuumskog taloženja. Godine 1950. elektrodepozicijom iz otopina dobiven je amorfni film legure Ni–P. Takvi filmovi su korišteni kao tvrdi premazi otporni na habanje i koroziju.

Situacija se značajno promijenila kada je 1960. godine otkrivena metoda za proizvodnju amorfnih metalnih legura očvršćavanjem u tekućem stanju, a 1968. otkrivena je metoda za očvršćivanje taline na površini rotacionog diska kako bi se dobila amorfna traka velike dužine (stotine metara). To je otvorilo mogućnost velike proizvodnje amorfnih metala po relativno niskoj cijeni i dovelo do eksplozivnog rasta istraživanja u oblasti amorfnih legura.

Danas se oko 80% industrijskih amorfnih legura proizvodi zbog svojih jedinstvenih magnetnih svojstava. Koriste se kao meki magnetni materijali koji kombinuju izotropna svojstva, visoku magnetnu permeabilnost, visoku indukciju zasićenja i nisku koercitivnu silu. Koriste se za proizvodnju magnetnih ekrana, magnetnih filtera i separatora, senzora, glava za snimanje itd. Transformatorska jezgra izrađena od amorfnih legura odlikuju se vrlo malim gubicima pri preokretu magnetizacije zbog uske histerezisne petlje, kao i visokim električnim otporom i malom debljinom amorfne trake, što smanjuje gubitke povezane s vrtložnim strujama.

Nedavno, otprilike od sredine 90-ih godina dvadesetog stoljeća, značajno se povećao interes za strukturne elemente različitih materijala, uključujući metale, koji imaju nanoskalu (1...100 nm). S takvim veličinama strukturnih formacija, posebno kristala, značajno se povećava udio površinskih čestica koje imaju interakciju različitu od onih koje se nalaze unutar volumena čestica. Kao rezultat toga, svojstva materijala formiranih od takvih čestica mogu se značajno razlikovati od svojstava materijala istog sastava, ali s većim veličinama strukturnih jedinica. Za karakterizaciju takvih materijala i metoda njihove proizvodnje pojavili su se i široko se koriste posebni termini nanomaterijali, nanotehnologija i nanoindustrija.

U savremenom shvaćanju, nanomaterijali su vrsta proizvoda u obliku materijala koji sadrži strukturne elemente nanometarskih dimenzija, čije prisustvo omogućava značajno poboljšanje ili nastanak kvalitativno novih mehaničkih, hemijskih, fizičkih, bioloških i drugih svojstava određenih manifestacija faktora nanorazmjera. A nanotehnologija je skup metoda i tehnika koje se koriste u proučavanju, dizajnu, proizvodnji i upotrebi struktura, uređaja i sistema, uključujući ciljanu kontrolu i modifikaciju oblika, veličine, integracije i interakcije njihovih sastavnih nanoskala (1...100 nm) elementi za dobijanje objekata sa novim hemijskim, fizičkim, biološkim svojstvima. Shodno tome, nanoindustrija je proizvodnja nanomaterijala koja implementira nanotehnologije. Kada se primjenjuje na metale, izraz "nanokristalni" obično se odnosi na metale čije veličine kristala spadaju u gornji nanometarski raspon.

Razvoj nanomaterijala, nanotehnologija i upotreba objekata sa kontrolisanim strukturama nano-veličine postali su mogući uglavnom zahvaljujući pojavi istraživačkih instrumenata i direktnih metoda za proučavanje objekata na atomskom nivou. Na primjer, moderni transmisioni elektronski mikroskopi sa uvećanjem od oko 1,5x10 6 omogućavaju vizualno posmatranje strukture atoma.

Postoje različiti načini za dobijanje nanostrukturiranih materijala, uključujući metale. Na primjer, nanostruktura se može dobiti u masivnom metalnom radnom komadu mljevenjem običnih kristala do nanoveličinih. To se može postići, posebno, intenzivnom plastičnom deformacijom. Međutim, metode rafiniranja strukture deformacijom ne dozvoljavaju proizvodnju nanokristalnih metala u industrijskoj mjeri i ne pripadaju tradicionalnim metalurškim tehnologijama.

Istovremeno, nanokristalna, kao i amorfna, metalna struktura može se dobiti tradicionalnim metalurškim metodama, posebno brzim hlađenjem taline. U zavisnosti od uslova gašenja tečnog stanja, moguće su tri opcije za formiranje strukture:

· nanokristalizacija direktno tokom procesa gašenja taline (ograničavajući slučaj konvencionalne ubrzane kristalizacije, koja dovodi do formiranja ne samo sitnozrnate, već i nanostrukture);

· u procesu gašenja taline dolazi do delimične kristalizacije, tako da se formira kompozitna amorfno-kristalna struktura;

· tokom gašenja nastaje amorfna struktura, a nanokristalna struktura se formira tokom naknadnog žarenja.

Nanokristalni, kao i amorfni, metali dobijeni tečnim kaljenjem se takođe koriste prvenstveno kao magnetni i električni materijali sa jedinstvenim svojstvima. Koriste se kao meki i tvrdi magnetni materijali, provodnici, poluprovodnici, dielektrici itd.

Konkretno, meke magnetne legure tipa Finemet našle su široku upotrebu. To su nanokristalne legure Fe–Si–B sistema sa dodatkom Cu i Nb ili drugih vatrostalnih metala. Legure se dobijaju delimičnom kristalizacijom amorfnog stanja. Njihova struktura se sastoji od feromagnetnih kristalita veličine 10...30 nm, raspoređenih u amorfnoj matrici, koja čini od 20 do 40% zapremine. Legure tipa Finemet imaju vrlo nisku koercitivnu silu, visoku magnetnu permeabilnost i magnetizaciju, te male gubitke na preokret magnetizacije, nadmašujući po svojim karakteristikama druge meke magnetne legure, uključujući i amorfne.

Magnetski tvrde nanokristalne legure sistema Fe–Nd–B i Fe–Sm–N takođe se široko koriste. Budući da su mnogi magnetni materijali (Fe–Si, Fe–Nd–B) krti, smanjenje veličine zrna ne samo da poboljšava njihove magnetne karakteristike, već i povećava duktilnost.

METODE ZA PROIZVODNJU AMORFNIH METALA

Proizvodnja amorfnih metala je moguća drobljenjem početnog kristalnog tijela kako bi se dobila amorfna struktura (put „odozgo prema dolje“). Put uključuje poremećaj pravilnog rasporeda atoma u kristalnom tijelu kao rezultat vanjskih utjecaja na kristal i transformaciju čvrstog kristalnog tijela u amorfno kruto tijelo.

Do danas je poznato nekoliko tehničkih metoda za implementaciju ovih puteva (slika 1). Budući da je amorfni metal, sa termodinamičke tačke gledišta, izuzetno neravnotežan sistem sa velikim viškom energije, njegova proizvodnja, za razliku od proizvodnje kristalnog metala, zahteva neravnotežne procese. Na ovoj slici su ravnotežni procesi faznih transformacija metala prikazani punim strelicama, a neravnotežni procesi dobijanja amorfnog metala prikazani su isprekidanim strelicama.

Fig.1. Metode za postizanje ravnotežnih i neravnotežnih stanja metala

Kao što slijedi iz gornjeg dijagrama, termodinamički neravnotežni amorfni (i nanokristalni) metal može se dobiti iz bilo koje ravnotežne faze:

· kondenzacija iz gasne faze. Uz određene rezerve, u ovu grupu se mogu svrstati i metode elektrolitičkog taloženja amorfnih filmova iz rastvora elektrolita;

· amorfizacija kristalnog stanja unošenjem velikog broja defekata u kristale;

· stvrdnjavanje tečnog stanja iz taline metala.

Prve dvije metode za proizvodnju amorfnih metala - iz gasne faze i kristalnih metala - pojavile su se u prvoj polovini prošlog stoljeća i koriste se relativno dugo, ali se ne odnose na metalurške tehnologije.