Når den langsomt afkøles under krystallisationspunktet, befinder væsken sig i en underafkølet tilstand. Denne tilstand af væsken er metastabil, det vil sige, at den efter nogen tid skal gå i en krystallinsk tilstand, som er energetisk gunstig under krystallisationspunktet. Hvis krystallisation af væsken har fundet sted, vil glasovergang ikke længere blive observeret. Men hvis krystallisationen af ​​en væske af en eller anden grund er vanskelig, det vil sige, at den metastabile tilstands levetid er tilstrækkelig lang, så når den underafkølede væske afkøles tilstrækkeligt hurtigt, stiger dens viskositet hurtigt, og den bliver til en fast amorf tilstand.

Overgangen fra en glasagtig til en krystallinsk tilstand er, selvom den er mulig, forbundet med lange ventetider og er i mange tilfælde praktisk talt uobserverbare.

Muligheden for at opnå en glasagtig tilstand af et stof bestemmes af, hvor let dets krystallisering sker. Ud fra dette kriterium kan stoffer opdeles i tre grupper. Den første gruppe omfatter mange organiske polymervæsker. Krystallisering af sådanne væsker er vanskelig på grund af den lave mobilitet af dets lange polymermolekyler, som er i en kompleks sammenflettet tilstand. Selv med meget langsom afkøling af en sådan væske når den de temperaturer, ved hvilke glasovergang sker uden at krystallisere. Sådanne væsker kaldes undertiden naturligt amorfe. Naturligt amorfe er mange

native harpikser. Den anden gruppe er dannet af stoffer, der egner sig godt til både krystallisation (ved langsom afkølingshastighed) og glasovergang. Et klassisk eksempel er glycerin. For sådanne stoffer er det muligt at måle egenskaberne af både krystal og den superafkølede væske ved samme temperaturer, hvilket viser sig at være vigtigt for at forstå karakteren af ​​glasovergangen. Væsker fra den første og anden gruppe kaldes glasdannende. Den tredje gruppe omfatter let krystalliserende stoffer, for hvilke eksistensen af ​​en glasagtig tilstand længe blev anset for umulig. Et klassisk eksempel på sådanne stoffer er rene metaller og forskellige legeringer. For nylig er der dog dukket metoder op til at opnå ultrahurtig afkøling op til 108 K/s. Med en så hurtig afkøling var det muligt at opnå den amorfe tilstand af mange metaller og legeringer.

4.2 Metoder til opnåelse af amorfe metalliske materialer

Metoder til fremstilling af amorfe materialer kan opdeles i tre grupper:

Afkøling ved ultrahøje hastigheder (10 5 -10 7 K/s) af smeltet metal (quenching fra flydende tilstand). Dette omfatter skydning af en dråbe smelte på et varmeledende substrat (køleskab), udjævning af en dråbe mellem kobberplader, støbning af en stråle af metalsmelte på et roterende køleskab (skive eller tromle), rulning af en stråle af smelte mellem ruller, frysning af en tyndt lag af smelte på kanten af ​​en stærkt varmeledende skive, der hurtigt roterer i et lodret plan materiale. Ved hjælp af disse metoder fremstilles tape, pulvere og fibre fra metallegeringer.

Deponering af metaller fra gas (damp) fase på et afkølet substrat. Disse omfatter termisk fordampning, ionforstøvning, plasmasprøjtning osv. Disse metoder er kendetegnet ved en høj bratkølingshastighed, som tillader dannelsen af ​​en amorf tilstand også for legeringer, der ikke amorferer under bratkøling fra smelten. Ulemperne ved disse metoder er lav produktivitet, kompleksitet og høje omkostninger til udstyr.

Ødelæggelse af den krystallinske struktur af et fast stof på grund af ydre påvirkninger. Her er ionimplantation af størst interesse, ved hjælp af hvilken det er muligt at opnå amorfe lag på færdige produkter fremstillet af visse metaller.

Et fælles træk ved de første metoder er skabelsen af ​​betingelser for hurtig afkøling af smelten, som ville forhindre krystallisationsprocessen. Praksis viser, at det er muligt at forhindre krystallisation og fiksere den glasagtige tilstand ved at bringe den flydende smelte i kontakt med et koldt metalsubstrat, som skal være lavet af et materiale med god varmeledningsevne. Typisk bruges kobber, berylliumbronze og messing til dette formål. Smelten opvarmes med en induktionsvarmeanordning eller en modstandsovn.

Der er flere hovedbetingelser, hvis opfyldelse gør det muligt at opnå en amorf legering ved quenching fra en flydende tilstand ved stuetemperatur og normalt atmosfærisk tryk:

Den volumetriske strømningshastighed af smelten gennem dyseåbningen på overfladen af ​​den roterende skive skal være konstant gennem hele dannelsestiden for den amorfe legering.

Strømmen af ​​den smeltede stråle skal være stabil og beskyttet mod påvirkning af små støvpartikler og ukontrollerede luftstrømme skabt af roterende dele af udstyret.

Skivens formende overflade skal være godt poleret og have god mekanisk og termisk kontakt med den smeltede stråle.

I de senere år er metoden med højhastigheds-ion-plasmasputtering af materiale på et substrat blevet brugt til at opnå amorfe strukturer. Sputteringshastigheden afhænger af både spændingen og tætheden af ​​ionstrømmen, der kommer ind i målet. De sputterede atomer forlader målet. Nogle af atomerne falder på substratet og aflejres på det, mens nogle går tabt på specielle skærme. Sprøjtning udføres i 2 trin:

Indledende. Dens mål er: 1 - det øverste forurenede lag af målet fjernes; 2- en film af det sputterede stof aflejres på skærmene, som kan tjene som en getter mv. i området af substratet skabes et område med et reduceret indhold af urenheder; 3- forstøvningsprocessen bliver mere stationær af natur, og sammensætningen af ​​det aflejrede lag vil først svare til sammensætningen af ​​målet, efter at der er gået nogen tid, hvorunder sammensætningen af ​​de sputterede atomer udlignes. Efter at forforstøvningen er afsluttet, renses substratet ionisk i flere minutter ved at påføre det et negativt potentiale på 100V. Derefter begynder sprøjtning i driftstilstand. Denne metode gør det muligt at skabe amorfe strukturer med kompleks sammensætning op til 1 cm tyk.

Til fremstilling af amorfe metaller anvendes der også i øjeblikket laserstråling, som gør det muligt at opvarme metallet hurtigt og sørger for afkøling af smelten med en hastighed på mindst 105 -106 K/s. Ved hurtig smeltning fremkommer en homogen væske, som efter størkning bliver til den såkaldte. glas med usædvanlige fysiske og mekaniske egenskaber. Processen med dannelse af en lignende struktur på overfladen af ​​metalliske materialer kaldes "laserglasovergang".

3.1. Amorfe materialer. Metalmaterialer er enkelt-dobbelte eller polykrystallinske legeringer. Stål, støbejern, duralumin, messing mv. folk har brugt det i lang tid, men kun nye materialer kan tilfredsstille nye behov. Materialernes grundlag er ofte det samme som polykrystallinske materialer, men fremstillet ved hjælp af en anden teknologi får de nye egenskaber. Vi vil nu overveje nogle teknologier

For at opnå et amorft materiale fra gasfasen er det nødvendigt, at den kinetiske energi af det deponerede atom ikke overstiger bindingsenergien af ​​atomerne på substratet. Atomer med lav mobilitet er placeret på substratet tilfældigt og derfor uden struktur. Mobile atomer kunne bevæge sig og skabe en mere energisk gunstig struktur. Fordele: høj kølehastighed, som sikrer bevarelse af den amorfe tilstand. Ulemper: lav væksthastighed af det amorfe lag, krav til højvakuum og muligheden for, at atomer i den evakuerede atmosfære kommer ind på underlaget. Specifikke teknologier: Termisk fordampning i vakuum Laser- eller elektronstrålefordampning Plasmafordampning Katodesputtering Plasmakemi, dvs. nedbrydning i en glødeudledning Præparat fra gasfasen

Amorfe stoffer opnås ved udfældningsreaktioner fra opløsning. Hvis forholdene ændrer sig meget hurtigt, har den krystallinske struktur muligvis ikke tid til at organisere sig, og den vil være amorf. Metoder: Fordampning. Tilsætning af udfældningsmidler, for eksempel til et polært opløsningsmiddel - ikke-polært, eller til et ikke-polært - polært. Elektrolytisk aflejring. Her tilsættes fosfor eller bor til elektrolytbadet. De fremmer dannelsen af ​​ikke-krystallinske metaller. Termisk nedbrydning af gelen. Forberedelse ud fra løsninger.

Forberedelse fra den krystallinske fase 1. Det mest trivielle er at hurtigt opvarme og hurtigt afkøle. Eller andre stærke påvirkninger, under hvilke atomer kan forlade deres ligevægtspositioner. 2. Fastfasereaktioner. 3. Stærke mekaniske påvirkninger, fx i en planet- eller vibrationsmølle, når mekanisk uorden på overfladen kan brede sig dybt ind i materialet. For eksempel dislokationer, som der er så mange af, at det ikke giver mening at tale om et krystallinsk materiale. 4. Bestråling af overfladen med neutroner, eller bombardement med ioner (for eksempel ionimplantation). Påvirkning af en chokbølge.

Forberedelse fra smelter For at opnå glas fra smelter kræves høj viskositet. Som vi diskuterede tidligere, sker krystallisering gennem dannelse og vækst af kerner i en ny fase. Hvis viskositeten er høj, tager molekylerne lang tid at bygge krystaller. Hvis du afkøler det hurtigt, når den krystallinske struktur ikke at stille op. Eksempel med siliciumdioxid SiO 2. Smelte 1722 C, glas T 1222 C, viskositet ved smelte 1 MPa.s. (Oxygen, svovl, selen-chalcogener). Chalcogenid briller - forbindelser med andre elementer. Typiske sammensætninger: Ge S, Ge Se, As S, As Se, Ge S P, Ge As Se, Ge Se Te, As Se Te, Ge As Se Te osv. Høj viskositet gør forbindelserne amorfe eller glasagtige.

Metalbriller Metalglas fremstilles ved: ultrahurtig hærdning; meget hurtig afkøling; gassprøjtning K/s; Centrifugering Dispersion Afkøling i gas er langsom, i væske op til 10 5 K/s, på metal – op til 10 8 K/s. Skudsprøjtning, plasmasprøjtning, cylinderstøbning, centrifugestøbning, roterende cylinder i bad. Rulning mellem to ruller. Sug ind i en kapillar under vakuum, pres gennem en dyse med afkøling i skallen. Metoder til svejsning ved laserbestråling, ved hjælp af en højspændingsgnist, gasudladning, elektronstråle - op til K/S

Nanomaterialer Nanovidenskab, nanoteknologi, nanostrukturerede materialer og objekter. De udpeger prioriterede områder for videnskabelig og teknologisk politik i udviklede lande. Således er der i USA et program kaldet National Nanotechnology Initiative (budget ~500 millioner dollars). Den Europæiske Union vedtog for nylig det sjette videnskabsrammeprogram, hvor nanoteknologi indtager en førende position. Ministeriet for industri og videnskab i Den Russiske Føderation og Det Russiske Videnskabsakademi har også lister over prioriterede, banebrydende teknologier med præfikset nano-. Den nuværende situation ligner på mange måder den, der gik forud for den totale computerrevolution, men konsekvenserne af den nanoteknologiske revolution bliver endnu større.

Grundlæggende nanoteknologi nanoer, oversat som dværg Rækken af ​​nanoobjekter - fra individuelle atomer (R

Forholdet mellem "overflade" og "bulk" atomer Fraktionen af ​​atomer a placeret i et tyndt overfladenært lag (~1 nm) stiger med aftagende partikelstørrelse R, da en ~ S/V ~ R 2 /R 3 ~ 1/ R (her er S overfladen af ​​partiklen, V er dens volumen). Det er velkendt, at overfladeatomer har egenskaber, der adskiller sig fra bulkatomer, da de er forbundet med deres naboer på en anden måde end i bulken. Overfladelaget kan betragtes som en ny stoftilstand.

Forklaringer til det forrige slide Eksempler på stofs specifikke adfærd på submikronskalaniveau og hovedårsagerne til nanoobjekters specificitet. 1 - oscillerende karakter af ændringen i egenskaber, 2 - vækst af karakteristikken med mætning, 3 - vækst af karakteristikken med et maksimum. Endelig, hvis et objekt har en atomskala i en, to eller tre retninger, kan dets egenskaber afvige skarpt fra bulk egenskaber for det samme materiale på grund af manifestationen af ​​kvantelove i adfærd

Biofysikere har skabt en nanoelektronisk enhed baseret på et enkelt organisk molekyle På Arizona State University har de skabt en elektronisk enhed bestående af et enkelt organisk molekyle. Kæden af ​​syv anilinfragmenter opfører sig som en negativ differentialmodstand. Resultatet af biofysikernes arbejde kan bruges i nanoelektronik.

Hvad og hvordan opnås Højstyrke nanokrystallinske og amorfe materialer, tyndfilm og heterostrukturkomponenter af mikroelektronik og optotronik af næste generation, bløde og hårde magnetiske materialer, nanoporøse materialer til den kemiske og petrokemiske industri, integrerede mikroelektromekaniske enheder, brændselsceller, elektriske batterier og andre energiomformere, biokompatibelt væv til transplantation, medicinske lægemidler.

Øjnene og fingrene fra nanoteknologi A-sonde, en godt slebet nål med en spidsradius på ~10 nm) og en scanningsmekanisme, der er i stand til at flytte den over prøveoverfladen i tre dimensioner. Groft positionering udføres ved hjælp af tre-aksede motoriserede borde. Fin scanning er implementeret ved hjælp af tre-koordinat piezo aktuatorer, som gør det muligt at flytte nålen eller prøven med en nøjagtighed på brøkdele af en ångstrøm med titusinder af mikrometer i x og y og med enheder af mikrometer i z.

Aktuelt kendte metoder er scanning tunneling mikroskopi; i den påføres en lille spænding (~ V) mellem den elektrisk ledende spids og prøven, og strømmen i mellemrummet registreres, afhængigt af egenskaberne og arrangementet af atomer på overfladen af ​​prøven, der undersøges; – atomkraftmikroskopi; den registrerer ændringer i nålens tiltrækningskraft til overfladen fra punkt til punkt. Nålen er placeret for enden af ​​en cantilever bjælke (cantilever), som har en kendt stivhed og er i stand til at bøje under påvirkning af små kræfter, der opstår mellem overfladen under undersøgelse og spidsen af ​​spidsen. Deformationen af ​​cantileveren registreres ved afbøjning af en laserstråle, der falder ind på dens bagside, eller ved at bruge en piezoresistiv effekt, der opstår i selve cantileveren; – nærfelts optisk mikroskopi; i den er sonden en optisk bølgeleder (fiber), der tilspidser for den ende, der vender mod prøven, til en diameter, der er mindre end lysets bølgelængde.
Hvad er der forude? Det første skridt i denne retning er skabelsen af ​​mikro-nano-elektromekaniske systemer (MEMS/NEMS). Nanospidser, nanoantilevers og ganske enkelt nanoledere kan være meget følsomme og selektive sensorer placeret på den samme chip med elektronik. Nanopumper kan føjes til dem, og resultatet bliver et analytisk kemisk laboratorium placeret på en plade med et areal på ~1 cm2. Der findes allerede analysatorer til kemiske krigsførende midler, biologiske våben, en kunstig næse og en kunstig tunge til certificering af fødevarer (vine, oste, frugter, grøntsager).

Militære applikationer Det amerikanske forsvarsministerium finansierer for eksempel et program til at skabe Smart dust - smart dust, dvs. en stor familie af mikrorobotter, på størrelse med et støvkorn, som spredt ud over fjendens territorium kan trænge igennem alle sprækker og kommunikationskanaler, skabe deres eget netværk, indsamle og transmittere operationel information, udføre særlige operationer mv.

Medicin Der er også mere humanistiske projekter: at skabe specielle mikrorobotlæger, der vil kombinere funktionerne som en diagnostiker, terapeut og kirurg, der bevæger sig gennem det menneskelige kredsløb, lymfesystem eller andet. Prøver af sådanne robotter er allerede blevet fremstillet med alle funktionelle komponenter og dimensioner på omkring 1 mm (i øjeblikket 2008 - 0,2 mm), og der er en reel udsigt til at reducere deres størrelser til mikron- og submikronniveau.

I de sidste år af det 20. århundrede blev fysikernes og materialeforskernes opmærksomhed henledt til et sådant kondenseret stof, som er karakteriseret ved et uordnet arrangement af atomer i rummet. Den engelske fysiker J. Ziman udtrykte den generelle interesse for den uordnede tilstand på følgende måde: “Forstyrrede faser af kondenseret stof - stål og glas, jord og vand, omend uden de andre elementer, ild og luft - findes uforlignelig oftere og praktisk talt. termer er ikke mindre vigtige end idealiserede enkeltkrystaller, som for ikke så længe siden var den eneste bekymring for faststoffysikken."

Blandt fast kondenseret stof fortjener de såkaldte metalglas - amorfe metallegeringer (AMA) med et uordnet arrangement af atomer i rummet - særlig opmærksomhed. Indtil for nylig var begrebet "metal" forbundet med begrebet "krystal", hvis atomer er placeret i rummet på en strengt ordnet måde. Dog i begyndelsen af ​​60'erne. I den videnskabelige verden har et budskab spredt sig om, at der er opnået metallegeringer, som ikke har en krystallinsk struktur. Metaller og legeringer med et tilfældigt arrangement af atomer begyndte at blive kaldt amorfe metalliske glas, og hyldede den analogi, der eksisterer mellem den uordnede struktur af en metallegering og uorganisk glas.

Opdagelsen af ​​amorfe metaller ydede et stort bidrag til videnskaben om metaller, hvilket i væsentlig grad ændrede vores forståelse af dem. Det viste sig, at amorfe metaller er slående forskellige i deres egenskaber fra metalkrystaller, som er karakteriseret ved et ordnet arrangement af atomer.

AMC opnås ved hurtig bratkøling af smelter ved flydende metalafkølingshastigheder på 10 4 –10 6 °C/s og forudsat at legeringen indeholder en tilstrækkelig mængde amorfiserende elementer. Amorphizers er ikke-metaller: bor, fosfor, silicium, kulstof. Følgelig er amorfe metallegeringer opdelt i "metal-ikke-metal" og "metal-metal" legeringer.

Bløde magnetiske legeringer af "metal - ikke-metal"-systemet er meget udbredt industrielt. De er produceret på basis af ferromagnetiske metaller - jern, nikkel, kobolt, ved hjælp af forskellige kombinationer af ikke-metaller som amorphizers.

Strukturen af ​​amorfe legeringer ligner strukturen af ​​en frossen væske. Størkning sker så hurtigt, at stoffets atomer fryses i de positioner, de besatte, mens de er i flydende tilstand. Den amorfe struktur er karakteriseret ved fraværet af lang rækkefølge i arrangementet af atomer (figur 1), på grund af hvilken der ikke er nogen krystallinsk anisotropi, der er ingen grænser for blokke, korn og andre strukturelle defekter, der er typiske for polykrystallinske legeringer.

Billede 1. Computermodeller af strukturen af ​​lang rækkevidde (a) og kort rækkevidde (b) ordrer

Konsekvensen af ​​denne amorfe struktur er de usædvanlige magnetiske, mekaniske, elektriske egenskaber og korrosionsbestandighed af amorfe metallegeringer. Sammen med høj magnetisk blødhed (niveauet af elektromagnetiske tab i amorfe legeringer med høj magnetisk induktion er væsentligt lavere end i alle kendte krystallinske legeringer), udviser disse materialer en usædvanlig høj mekanisk hårdhed og trækstyrke, i nogle tilfælde har de en termisk udvidelseskoefficient tæt på nul, og deres elektriske resistivitet er tre til fire gange højere end værdien for jern og dets legeringer. Nogle af de amorfe legeringer er kendetegnet ved høj korrosionsbestandighed.

Størkning med dannelse af en amorf struktur er grundlæggende mulig for alle metaller og legeringer. Til praktiske anvendelser anvendes sædvanligvis legeringer af overgangsmetaller (Fe, Co, Mn, Cr, Ni osv.), hvori der tilsættes amorfe grundstoffer som B, C, Si, P, S for at danne en amorf struktur. amorfe legeringer indeholder sædvanligvis ca. 80 % (at.) et eller flere overgangsmetaller og 20 % metalloider tilsat for at danne og stabilisere den amorfe struktur. Sammensætningen af ​​amorfe legeringer svarer til formlen M 80 X 20, hvor M er et eller flere overgangsmetaller, og X er et eller flere amorfisatorer. Der kendes amorfe legeringer, hvis sammensætning svarer til den givne formel: Fe 70 Cr 10 P 15 B 5, Fe 40 Ni 40 Si 14 B 6, Fe 80 P 13 B 7 osv. Amorphizers sænker smeltepunktet og giver nogenlunde hurtig afkøling af smelten under dens temperaturglasovergang, således at der dannes en amorf fase. Den termiske stabilitet af amorfe legeringer er mest påvirket af silicium og bor; legeringer med bor og kul har den største styrke, og korrosionsbestandighed afhænger af koncentrationen af ​​chrom og fosfor.

Amorfe legeringer er i en termodynamisk ikke-ligevægtstilstand. På grund af deres amorfe natur har metalliske glas egenskaber, der er iboende i ikke-metalliske glas: når de opvarmes, gennemgår de strukturel afslapning, afglasning og krystallisation. For stabil drift af produkter fremstillet af amorfe legeringer er det derfor nødvendigt, at deres temperatur ikke overstiger en bestemt driftstemperatur specificeret for hver legering.

2. Metoder til fremstilling af amorfe legeringer

Ultrahøje afkølingshastigheder af flydende metal for at opnå en amorf struktur realiseres på forskellige måder. Fælles for dem er at sikre en afkølingshastighed på mindst 10 6 °C/s.

Der er forskellige metoder til fremstilling af amorfe legeringer: at slynge en dråbe ned på en kold plade, sprøjte en stråle med gas eller væske, centrifugering af en dråbe eller stråle, smeltning af en tynd film af metaloverfladen med en laser med hurtig varmefjernelse med massen af uædle metallet, ultrahurtig afkøling fra et gasformigt medium osv.

Brugen af ​​disse metoder gør det muligt at opnå tape af forskellige tykkelser, tråd og pulver.

Modtagelse af båndet. De mest effektive metoder til industriel produktion af amorft tape er afkøling af en stråle af flydende metal på de ydre (skive bratkøling) eller indre (centrifugal bratkøling) overflader af roterende tromler eller valsning af smelten mellem kolde valser lavet af materialer med høj varmeledningsevne.

Figur 2 viser skematiske diagrammer af disse metoder. Smelten opnået i en induktionsovn presses ud af dysen af ​​en neutral gas og størkner ved kontakt med overfladen af ​​et roterende afkølet legeme (køleskab). Forskellen er, at i centrifugal bratkøling og disk bratkøling metoder afkøles smelten kun på den ene side. Hovedproblemet er at få en tilstrækkelig grad af renlighed af den ydre overflade, som ikke kommer i kontakt med køleskabet. Smelterulsningsmetoden giver god kvalitet på begge overflader af båndet, hvilket især er vigtigt for amorfe bånd, der bruges til magnetiske optagehoveder. Hver metode har sine egne begrænsninger på størrelsen af ​​båndene, da der er forskelle i både størkningsprocessen og det anvendte udstyr. Hvis båndbredden under centrifugalhærdning er op til 5 mm, giver valsning bånd med en bredde på 10 mm eller mere. Skivehærdningsmetoden, som kræver enklere udstyr, gør det muligt at variere strimmelbredden inden for et bredt område afhængig af størrelsen af ​​smeltediglerne. Denne metode gør det muligt at fremstille både smalle bånd med en bredde på 0,1-0,2 mm og brede - op til 100 mm, og breddenøjagtigheden kan være ±3 mikron. Installationer med en maksimal digelkapacitet på op til 50 kg er under udvikling.

Figur 2: a - centrifugal hærdning; b - hærdning på disken; c - smeltevalsning; g - centrifugal hærdning; d - planetarisk hærdning

I alle bratkølingsinstallationer størkner metallet hurtigt fra flydende tilstand og spredes i et tyndt lag over overfladen af ​​et roterende køleskab. Hvis sammensætningen af ​​legeringen er konstant, afhænger afkølingshastigheden af ​​tykkelsen af ​​smelten og køleskabets egenskaber. Tykkelsen af ​​smelten på køleskabet bestemmes af dens rotationshastighed og strømningshastigheden af ​​smelten, dvs. den afhænger af dysens diameter og gastrykket på smelten. Af stor betydning er det korrekte valg af tilførselsvinklen for smelten til disken, hvilket giver dig mulighed for at øge varigheden af ​​metallets kontakt med køleskabet. Afkølingshastigheden afhænger også af egenskaberne af selve smelten: termisk ledningsevne, varmekapacitet, viskositet, densitet.

Modtager ledning. For at opnå tynd amorf tråd anvendes forskellige metoder til at trække fibre fra smelten (figur 3).

Figur 3: a - trække smelten gennem et kølemiddel (smelteekstrudering); b - trække tråden fra den roterende tromle; c - udtrækning af smelten i et glaskapillar; 1 - smelte; 2 - kølevæske; 3 - glas; 4 - dyse; 5 - trådvikling

Den første metode (figur 3, a) - smeltet metal trækkes i et rundt rør gennem en vandig opløsning af salte. Den anden metode (figur 3, b) - en strøm af smeltet metal falder ned i en væske, der holdes af centrifugalkraft på den indre overflade af en roterende tromle: den størknede tråd afvikles derefter fra den roterende væske. En kendt metode består i at fremstille en amorf tråd ved at trække smelten så hurtigt som muligt i et glaskapillar (figur 3, c). Denne metode kaldes Taylor-metoden. Fiberen opnås ved at trække smelten samtidigt med et glasrør, og fiberdiameteren er 2-5 mikron. Den største vanskelighed er at adskille fiberen fra glasset, der dækker den, hvilket naturligvis begrænser sammensætningen af ​​de legeringer, der er amorfiseret ved denne metode.

Fremstilling af pulvere. For at fremstille amorfe legeringspulvere kan du bruge de metoder og udstyr, der bruges til at fremstille konventionelle metalpulvere.

Figur 4 viser skematisk flere metoder, der gør det muligt at opnå amorfe pulvere i store mængder. Blandt dem skal sprøjtemetoder (figur 4, a), der har bevist sig, noteres.

Figur 4: a - sprøjtemetode (sprøjtemetode); b - kavitationsmetode; c - metode til at sprøjte smelten med en roterende skive; 1 - pulver; 2 - råmateriale; 3 - dyse; 4 - kølevæske; 5 - afkølet tallerken

Det er kendt at fremstille amorfe pulvere ved kavitationsmetoden, som realiseres ved at rulle smelten i ruller, og ved fremgangsmåden til at sprøjte smelten med en roterende skive. I kavitationsmetoden (figur 4, b) presses smeltet metal ud i mellemrummet mellem to ruller (0,2-0,5 mm), lavet af for eksempel grafit eller bornitrid. Kavitation opstår - smelten kastes ud af ruller i form af et pulver, som falder ned på en afkølet plade eller i en kølende vandig opløsning. Kavitation opstår i mellemrummet mellem valserne, som et resultat af, at gasboblerne i metallet forsvinder. Metoden til at sprøjte med en roterende skive (Figur 4, c) ligner i princippet den tidligere beskrevne metode til fremstilling af tynd tråd, men her sprøjtes det smeltede metal, der kommer ind i væsken, på grund af dets turbulente bevægelse. Ved hjælp af denne metode opnås pulver i form af granulat med en diameter på omkring 100 mikron.

3. Mærkning, egenskaber og anvendelser af amorfe legeringer

Mærkning af amorfe legeringer udføres i overensstemmelse med TU 14-1-4972-91 ved hjælp af et alfanumerisk notationssystem. Elementer er betegnet med bogstaver i det russiske alfabet på samme måde som for stål. Tallene før bogstavbetegnelsen for et grundstof angiver dets gennemsnitlige indhold i legeringen. Indholdet af silicium og bor er ikke angivet i mærkebetegnelsen; deres samlede indhold, som amorfiserende elementer, er 20-25% (at.).

Den kemiske sammensætning af amorfe legeringer er også angivet med symboler for kemiske grundstoffer med digitale indeks, der angiver indholdet af et givet grundstof (% (at.)), for eksempel Fe 31 B 14 Si 4 C 2. Legeringer produceret i industriel skala kaldes Metglas i USA, Vitrovac i Tyskland og Amomet i Japan. Et kodenummer tilføjes til disse navne.

På grund af bindingens metalliske natur adskiller mange egenskaber af metalliske glas sig væsentligt fra egenskaberne af ikke-metalliske glas. Disse omfatter den viskøse natur af ødelæggelse, høj elektrisk og termisk ledningsevne og optiske egenskaber.

Densiteten af ​​amorfe legeringer er kun 1-2% mindre end densiteten af ​​de tilsvarende krystallinske legemer. Metalliske glas har en tætpakket struktur, meget forskellig fra den løsere struktur af ikke-metalliske glas med retningsbestemt binding.

Amorfe metaller er materialer med høj styrke. Sammen med høj styrke er de kendetegnet ved god duktilitet i kompression (op til 50%) og bøjning. Ved stuetemperatur koldvalses amorfe legeringer til tynd folie. En strimmel af amorf legering Ni 49 Fe 29 P 14 B 6 A 12 med en tykkelse på 25 mikron kan bøjes rundt om spidsen af ​​et barberblad uden at der dannes mikrorevner. Men når de strækkes, er deres relative forlængelse ikke mere end 1-2%. Dette forklares af det faktum, at plastisk deformation forekommer i snævert (10-40 nm) lokaliserede forskydningsbånd, og ud over disse bånd udvikler deformationen sig praktisk talt ikke, hvilket fører til lave værdier af makroskopisk trækplasticitet. Flydegrænsen for amorfe legeringer Fe 40 Ni 40 P 14 B 6, Fe 80 B 20, Fe 60 Cr 6 Mo 6 B 28 er henholdsvis 2.400, 3.600, 4.500 MPa, og flydegrænsen for højstyrkestål er normalt ikke mere end 2 500 MPa.

Amorfe legeringer er kendetegnet ved et klart lineært forhold mellem hårdhed og styrke. For legeringer baseret på Fe, Ni og Co er udtrykket HV = 3,2 σ t gyldigt, hvilket gør det muligt at bruge hårdhedstesteraflæsninger med tilstrækkelig nøjagtighed til at bestemme styrkekarakteristika. Brudenergien og slagstyrken af ​​amorfe legeringer overstiger også væsentligt disse egenskaber for konventionelle krystallinske materialer - stål og legeringer, og endnu mere uorganiske glas. Arten af ​​bruddet indikerer duktilt brud på metalglas. Dette kan skyldes deres adiabatiske opvarmning som følge af plastisk deformation.

Amorfe strukturelle legeringer . AMC'er har et værdifuldt sæt mekaniske egenskaber. Først og fremmest er deres egenskab kombinationen af ​​høj hårdhed og styrke. Hårdhed HV kan nå værdier på mere end 1.000 og styrke - 4.000 MPa og højere. For eksempel har legeringen Fe 46 Cr 16 Mo 20 C 18 en hårdhed på HV 1.150 med en styrke på 4.000 MPa; legering Co 34 Cr 28 Mo 20 C 18 - henholdsvis 1.400 og 4.100 MPa.

Amorfe strukturelle legeringer er kendetegnet ved høj elastisk deformation - omkring 2%, lav duktilitet - δ = 0,03-0,3%. Legeringer kan dog ikke klassificeres som sprøde materialer, da de kan stemples, skæres og rulles. Legeringerne egner sig godt til koldvalsning med en reduktion på 30–50 % og trækning med en reduktion på op til 90 %.

De mekaniske egenskaber af nogle amorfe legeringer er angivet i tabel 1.

Tabel 1 - Mekaniske egenskaber af amorfe metallegeringer

Legering	HV	σ ind	σ 0,2	E,	E/σ ind	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 Cu6Si 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	–

* Ved -269 °C.

Sammen med høje mekaniske egenskaber har amorfe strukturelle legeringer god korrosionsbestandighed. Muligheden for at bruge amorfe strukturelle legeringer er begrænset af den relativt lave temperatur (Tcryst) af deres overgang til en krystallinsk tilstand, når de opvarmes, tilstedeværelsen af ​​temperamentskørhed, der opstår under kortvarig opvarmning til temperaturer væsentligt lavere end Tcryst, og også af kendsgerning, at rækken af ​​producerede materialer er begrænset. Der produceres kun tynde bånd, folie og tråde. Massive emner og produkter kan opnås ved hjælp af pulvermetallurgiske metoder. Imidlertid er den sædvanlige teknologi - sintringspulveremner - uacceptabel på grund af amorfe materialers lave termiske stabilitet. Eksperimentelt fremstilles prøver fra amorfe pulvere ved eksplosiv presning.

Levetiden for en amorf legering afhænger af driftstemperaturen. Den termiske modstand af amorfe legeringer er lav. Der er dog materialer med T-krystaller over 725 °C. Disse omfatter især Ti 40 Ni 40 Si 20-legeringen med høje mekaniske egenskaber: HV 1070, σ in = 3.450 MPa og specifik styrke σ i /(ρg) = 58 km (ρ - tæthed; g - fritfaldsacceleration ) .

Højstyrke AMC-garner kan bruges i kompositmaterialer, og tape kan bruges som viklinger til at forstærke trykbeholdere.

Amorfe metallegeringer er lovende materialer til fremstilling af elastiske elementer. Ti 40 Be 40 Zr 10 legeringen, som har høj afslapningsmodstand og elastisk energireserve, fortjener opmærksomhed. Den effektive kraft af fjedre fremstillet af denne legering er en størrelsesorden overlegen i forhold til fjedre fremstillet af konventionelle polykrystallinske metaller.

Fraværet af korngrænser, høj hårdhed, slidstyrke og korrosionsbestandighed af amorfe legeringer gør det muligt at fremstille højkvalitets tyndkantede værktøjer, såsom barberblade, ud fra dem.

Amorfisering af produkters overfladelag ved laserbehandling (for at øge deres hårdhed) kan konkurrere med traditionelle metoder til overfladehærdning. Denne metode øgede især overfladehårdheden af ​​enkeltkrystallegeringen Ni 60 Nb 40 med en størrelsesorden (HV 1.050) og opnåede en hårdhed på HV 1.200 på overfladen af ​​støbejernsprodukter af sammensætningen: 3,20% C ; 2,60% Si; 0,64 % Mn, 0,06 % R.

Bløde magnetiske og hårde magnetiske amorfe legeringer . Amorfe bløde magnetiske legeringer bruges i elektroniske produkter. Ifølge deres kemiske sammensætning er legeringer opdelt i tre systemer: jernbaseret, jern og nikkel, jern og kobolt. Et stort antal sammensætninger af amorfe metalliske materialer er blevet udviklet, men legeringer af et begrænset udvalg produceres i eksperimentelle og pilotpartier.

Jernbaseret AMS karakteriseret ved høj mætningsinduktion (1,5-1,8 T). I denne henseende er de kun næst efter elektriske stål og jern-kobolt-legeringer. Brugen af ​​AMS i krafttransformatorer er lovende. Dette kræver dog en ændring af trans(opvikling af tape på transformerspoler, udglødning i et magnetfelt og i et inert miljø, særlige betingelser for tætning og imprægnering af kernerne). Denne AMS-gruppe omfatter legeringer: 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 osv.

Jern-nikkel AMS har høj magnetisk permeabilitet; med hensyn til mætningsinduktion er de sammenlignelige med magnetiske metallegeringer og ferritter, de har en lav tvangskraft og en høj rektangularitet af hysteresesløjfen. AMC'er bruges til fremstilling af transformere og elektromagnetiske enheder, der opererer ved højere frekvenser, hvilket gør det muligt at reducere produkternes dimensioner. Denne AMS-gruppe omfatter legeringer: 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 , etc.

Meget permeable jern-kobolt amorfe metallegeringer kan erstatte højinduktions-permalloys i elektronisk udstyr og overgå sidstnævnte i nogle egenskaber og fremstillingsevne. Bånd fremstillet af amorfe koboltlegeringer bruges i kernerne i små højfrekvenstransformere til forskellige formål, især til sekundære strømforsyninger og magnetiske forstærkere. De bruges i strømlækagedetektorer, telekommunikationssystemer og som sensorer (inklusive fluxgate-type), til magnetiske skærme og temperaturfølsomme sensorer, samt meget følsomme moduleringsmagnetiske omformere.

Legeringer bruges til magnetiske hoveder, der bruges til at registrere og gengive information. På grund af deres øgede slidstyrke og høje magnetiske egenskaber i lavintensitetsfelter er koboltbaserede legeringer overlegne i en række parametre i forhold til bløde magnetiske materialer, der traditionelt er blevet brugt til disse formål. Denne gruppe af AMS inkluderer legeringer: 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 osv. ...

Ved hjælp af katodeforstøvningsmetoden blev der opnået amorfe film af den hårde magnetiske legering SmCo 5 med en magnetisk energi på 120 kT·A/m, som kan bruges til fremstilling af små permanente magneter til forskellige formål.

Invar amorfe legeringer. Nogle jernbaserede AMC'er (93ZhKhR-A, 96ZhR-A) har en lav lineær ekspansionskoefficient α i visse temperaturområder< 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.

Resistive amorfe legeringer har høj elektrisk modstand. Mikrotråde i glasisolering er lavet af dem. AMS (Ni-Si-B-systemer) sammenligner sig positivt i egenskaber med krystallinske legeringer. De har en størrelsesorden lavere termisk koefficient for elektrisk modstand og 1,5 gange større elektrisk resistivitet. Legeringerne er paramagnetiske, korrosionsbestandige, har en lineær temperaturafhængighed af emk og en relativt høj krystallisationstemperatur. Fraværet af magnetokrystallinsk anisotropi, kombineret med en ret høj elektrisk modstand, reducerer hvirvelstrømstab, især ved høje frekvenser. Tab i kerner fremstillet af den amorfe legering Fe 81 B 13 Si 4 C 2 udviklet i Japan er 0,06 W/kg, dvs. ca. tyve gange lavere end tab i kornorienterede transformatorstålplader. Besparelser på grund af reduktionen af ​​hysterese-energitab ved brug af Fe 83 B 15 Si 2-legeringen i stedet for transformerstål beløber sig til $300 millioner om året alene i USA. De kan ikke kun bruges til fremstilling af præcisionsmodstande, men også til strain gauges ved måling af deformationer og mikroforskydninger osv. Legeringer af denne gruppe omfatter: 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 osv.

Lovende anvendelsesområder for AMS. Kombinationen af ​​høj styrke, korrosions- og slidstyrke samt bløde magnetiske egenskaber indikerer muligheden for en række forskellige anvendelser. For eksempel er det muligt at bruge sådanne glas som induktorer i magnetiske separationsanordninger. Produkter vævet af tape blev brugt som magnetiske skærme. Fordelen ved disse materialer er, at de kan skæres og bøjes i ønskede former uden at gå på kompromis med deres magnetiske egenskaber.

Det er kendt at anvende amorfe legeringer som katalysatorer til kemiske reaktioner. For eksempel viste en amorf Pd-Rb-legering sig at være en katalysator for nedbrydningsreaktionen af ​​NaCl (aq) til NaOH og Cl 2, og jernbaserede legeringer giver et højere udbytte (ca. 80%) sammenlignet med jernpulver (ca. 15 %) i 4H-syntesereaktionen 2 + 2CO = C 2 H 4 + 2 H 2 O.

Fordi glas er stærkt underkølede væsker, sker deres krystallisering, når de opvarmes, normalt med stærk kernedannelse, hvilket resulterer i et homogent, ekstremt finkornet metal. En sådan krystallinsk fase kan ikke opnås ved konventionelle forarbejdningsmetoder. Dette åbner op for muligheden for at få specielle lodninger i form af en tynd strimmel. Denne tape bøjes let og kan skæres og stemples for at opnå den optimale konfiguration. Det er meget vigtigt for lodning, at tapen er homogen i sammensætning og giver pålidelig kontakt på alle punkter af de produkter, der loddes. Loddemidler har høj korrosionsbestandighed. De bruges inden for luftfart og rumteknologi.

I fremtiden er det muligt at opnå superledende kabler ved krystallisation af den oprindelige amorfe fase.

Amorfe jern-nikkel-legeringer indeholdende chrom giver usædvanlig høj korrosionsbestandighed i en lang række korrosive miljøer.

Figur 5 viser korrosionshastighederne for krystallinske prøver af chromstål og amorfe Fe 80-x Cr x P 13 C 7-legeringer, bestemt ud fra vægttabet af prøver holdt i en koncentreret NaCl-opløsning. Korrosionsbestandigheden af ​​legeringer med et chromindhold over 8% (at.) er flere størrelsesordener højere end for klassiske rustfrie stål.

Figur 5. Effekt af chromindhold på korrosionshastigheden af ​​den amorfe Fe 80-x Cr x P 13 C 7 legering (1) og krystallinsk Fe–Cr (2) og NaCl ved 30 °C

En amorf legering, der ikke indeholder krom, korroderer hurtigere end krystallinsk jern, men (i takt med at kromindholdet stiger), falder korrosionshastigheden af ​​den amorfe legering kraftigt, og ved et indhold på 8% (at.) detekteres Cr ikke længere af mikrovægte efter eksponering i 168 timer.

Amorfe legeringer er praktisk talt ikke udsat for grubetæring, selv i tilfælde af anodisk polarisering i saltsyre.

Høj modstand mod korrosion skyldes dannelsen af ​​passiverende film på overfladen, der har høje beskyttende egenskaber, en høj grad af ensartethed og hurtig dannelse. Ud over chrom er tilførslen af ​​fosfor med til at øge korrosionsbestandigheden. Filmen af ​​krystallinsk stål med højt krom indeholder altid mikroporer, som over tid omdannes til korrosionslommer. På amorfe legeringer, der indeholder en vis mængde chrom og fosfor, kan der dannes en passiverende film med en høj grad af homogenitet selv i 1 N. HCl opløsning. Dannelsen af ​​en homogen passiveringsfilm sikres af den kemiske og strukturelle homogenitet af den amorfe fase, fri for krystallinske defekter (præcipitater af overskydende fase, segregationsformationer og korngrænser).

Legering Fe 45 Cr 25 Mo 10 P 13 C 7, passiverende selv i en så koncentreret opløsning som 12 N. HCl-opløsning ved 60 °C, korroderer næsten ikke. Denne legering er overlegen i forhold til tantalmetal i sin korrosionsbestandighed.

Amorfe metaller kaldes ofte fremtidens materialer på grund af deres egenskabers unikke egenskaber, som ikke findes i almindelige krystallinske metaller (tabel 2).

Tabel 2 - Egenskaber og hovedanvendelsesområder for amorfe metalliske materialer

Ejendom	Ansøgning	Legeringssammensætning
Høj styrke, høj sejhed	Tråd, armeringsmaterialer, fjedre, skæreværktøj	Fe75Si10B15
Høj korrosionsbestandighed	Elektrodematerialer, filtre til arbejde i sure opløsninger, havvand, spildevand	Fe45Cr25Mo10P13C7
Høj mætning magnetisk fluxtæthed, lave tab	Transformatorkerner, omformere, drosler	Fe81B13Si4C2
Høj magnetisk permeabilitet, lav koercitivitet	Magnetiske hoveder og skærme, magnetometre, signalapparater	Fe5Co70Si10B15
Konstant af elasticitetsmodul og temperaturkoefficient for lineær udvidelse	Invar og elite materialer	Fe83B17

Den brede fordeling af amorfe metaller hæmmes af høje omkostninger, relativt lav termisk stabilitet samt den lille størrelse af de resulterende bånd, ledninger og granulat. Derudover er brugen af ​​amorfe legeringer i strukturer begrænset på grund af deres lave svejsbarhed.

Baseret på det relative arrangement af atomer og molekyler kan materialer være krystallinske eller amorfe. Den ulige struktur af krystallinske og amorfe stoffer bestemmer også forskellen i deres egenskaber. Amorfe stoffer, der har ubrugt indre krystallisationsenergi, er kemisk mere aktive end krystallinske af samme sammensætning (for eksempel amorfe former af silica: pimpsten, tripolit, diatomitter sammenlignet med krystallinsk kvarts).

En væsentlig forskel mellem amorfe og krystallinske stoffer er, at krystallinske stoffer, når de opvarmes (ved konstant tryk), har et vist smeltepunkt. Og amorfe dem blødgøres og bliver gradvist til en flydende tilstand. Styrken af ​​amorfe stoffer er som regel lavere end krystallinske, derfor for at opnå materialer med øget styrke udføres krystallisering specielt, for eksempel ved fremstilling af glaskrystallinsk materiale - glaskeramik.

Uens egenskaber kan observeres i krystallinske materialer af samme sammensætning, hvis de er dannet i forskellige krystallinske former, kaldet modifikationer (fænomenet polymorfi). For eksempel er polymorfe transformationer af kvarts ledsaget af en ændring i volumen. Ændring af et materiales egenskaber ved at ændre krystalgitteret bruges til varmebehandling af metaller (hærdning eller temperering).

- Indflydelsen af ​​materialers sammensætning og struktur på deres egenskaber. Typer af strukturer af byggematerialer.

Byggematerialernes egenskaber er i høj grad relateret til deres strukturs særegenheder og til egenskaberne af de stoffer, som materialet består af. Til gengæld afhænger materialets struktur: for naturlige materialer - på deres oprindelse og dannelsesbetingelser, for kunstige - på teknologien til produktion og forarbejdning af materialet. Når man studerer et kursus i byggematerialer, skal en bygmester derfor først og fremmest forstå denne sammenhæng. Samtidig bør teknologi og forarbejdning af materialer overvejes ud fra deres indflydelse på strukturen og egenskaberne af det resulterende materiale.

Byggematerialer er kendetegnet ved kemiske, mineralske og fasesammensætninger.

Alt efter den kemiske sammensætning opdeles alle byggematerialer i: organisk (træ, bitumen, plast osv.), mineral (beton, cement, mursten, natursten osv.) og metaller (stål, støbejern, aluminium). Hver af disse grupper har sine egne karakteristika. Alle organiske materialer er således brandfarlige, og mineralske materialer er brandsikre; metaller leder elektricitet og varme godt. Den kemiske sammensætning giver os mulighed for at bedømme andre tekniske egenskaber (biostabilitet, holdbarhed osv.). Den kemiske sammensætning af nogle materialer (uorganiske bindemidler, stenmaterialer) udtrykkes ofte ved antallet af oxider, de indeholder.

Oxider, der er kemisk bundet til hinanden, danner mineraler, der kendetegner materialets mineralsammensætning. Ved at kende mineralerne og deres mængde i materialet kan man bedømme materialets egenskaber. For eksempel skyldes uorganiske bindemidlers evne til at hærde og opretholde styrke i et vandigt miljø tilstedeværelsen af ​​silikatmineraler, aluminater og calciumferriter i dem, og med en stor mængde af dem accelereres hærdningsprocessen og styrken af cementstenen stiger.

Ved karakterisering af fasesammensætningen af ​​et materiale skelnes følgende: faste stoffer, der danner porevægge ("ramme" af materialet), og porer fyldt med luft og vand. Fasesammensætningen af ​​materialet og faseovergangene af vand i dets porer påvirker alle materialets egenskaber og opførsel under drift.

Ikke mindre indflydelse på et materiales egenskaber udøves af dets makro- og mikrostruktur og den indre struktur af de stoffer, der udgør materialet, på molekylær-ion-niveau.

Makrostrukturen af ​​et materiale er en struktur, der er synlig med det blotte øje eller med let forstørrelse. Mikrostrukturen af ​​et materiale er den struktur, der er synlig under et mikroskop. Anlæggets indre struktur studeres ved hjælp af røntgendiffraktionsanalyse, elektronmikroskopi mv.

På mange måder bestemmer materialets egenskaber porernes antal, størrelse og karakter. For eksempel er porøst glas (skumglas), i modsætning til almindeligt glas, uigennemsigtigt og meget let.

Formen og størrelsen af ​​de faste partikler påvirker også materialets egenskaber. Så hvis du trækker tynde fibre fra en smelte af almindeligt glas, får du let og blød glasuld.

Afhængigt af partiklernes form og størrelse og deres struktur kan makrostrukturen af ​​faste byggematerialer være granulær (løskornet eller konglomerat), cellulær (fint porøs), fibrøs og lagdelt.

Løskornede materialer består af individuelle korn, der ikke er forbundet med hinanden (sand, grus, pulveriserede materialer til mastiksisolering og opfyldning mv.).

Konglomeratstrukturen, når kornene er fast forbundet med hinanden, er karakteristisk for forskellige typer beton, nogle typer af naturlige og keramiske materialer mv.

Den cellulære (finporøse) struktur er karakteriseret ved tilstedeværelsen af ​​makro- og mikroporer, karakteristisk for gas- og skumbeton, cellulær plast og nogle keramiske materialer.

Fibrøse og lagdelte materialer, hvor fibrene (lagene) er placeret parallelt med hinanden, har forskellige egenskaber langs og på tværs af fibrene (lagene). Dette fænomen kaldes anisotropi, og materialer med sådanne egenskaber er anisotrope. Den fibrøse struktur er iboende i træ- og mineraluldsprodukter, og den lagdelte struktur er iboende i rulle-, plade- og pladematerialer med lagdelt fyldstof (papirplast, tekstolit osv.).

PRÆSENTATION

disciplin: Processer til at opnå nanopartikler og nanomaterialer

om emnet: "Forberedelse af nanomaterialer ved hjælp af fastfase transformationer"

Fuldført:

Elev gr. 4301-11

Mukhamitova A.A.

Kazan, 2014

	INTRODUKTION
1.
	1.1.	METODE TIL ELEKTROLYTISK DEPOSITION AF AMORF FILMER FRA ELEKTROLYTLØSNINGER
	1.2.	AMORFISERING AF KRYSTALSTATEN VED AT INTRODUCERE ET STORT ANTAL DEFEKT I KRYSTALER
	1.3.	INTENSIV PLASTISK DEFORMATION
	1.4.	SLUKNING AF DEN FLYDENDE TILSTAND
2.	FORDELE OG ULEMPER VED METODEN TIL OPNÅELSE AF NANOMATERIALER VED BRUG AF FASTFASE TRANSFORMATIONER
	KONKLUSION
	LISTE OVER BRUGTE REFERENCER

INTRODUKTION

På det seneste er der udviklet en række metoder til fremstilling af nanomaterialer, hvor dispergering udføres i et fast stof uden at ændre aggregeringstilstanden.

Kontrolleret krystallisation fra amorf tilstand er en af ​​metoderne til fremstilling af bulk nanomaterialer. Metoden består i at opnå et amorft materiale, for eksempel ved at bratkøle fra en flydende tilstand, og derefter krystallisere det under kontrollerede opvarmningsforhold.

Amorfe er metaller, der er i fast tilstand, hvor arrangementet af atomer ikke har lang rækkefølge, karakteristisk for metaller i den sædvanlige tilstand, dvs. krystallinsk tilstand. For at karakterisere metaller i denne tilstand bruges udtrykkene "metallisk glas" og, mindre almindeligt, "ikke-krystallinske metaller" også. Den amorfe tilstand er det begrænsende tilfælde af termodynamisk ustabilitet af solide metalsystemer, modsat den termodynamiske tilstand af en fejlfri krystal.

I tusinder af år har menneskeheden udelukkende brugt faste metaller i krystallinsk tilstand. Først i slutningen af ​​30'erne af det 20. århundrede optrådte forsøg på at opnå ikke-krystallinske metalbelægninger i form af tynde film ved hjælp af vakuumaflejring. I 1950 blev en amorf film af Ni-P-legeringen opnået ved elektroaflejring fra opløsninger. Sådanne film blev brugt som hårde, slidbestandige og korrosionsbestandige belægninger.

Situationen ændrede sig markant, da der i 1960 blev opdaget en metode til fremstilling af amorfe metallegeringer ved at hærde den flydende tilstand, og i 1968 blev der opdaget en metode til at hærde smelten på overfladen af ​​en roterende skive for at fremstille et amorft bånd af stor længde (hundredevis). meter). Dette åbnede muligheden for storskalaproduktion af amorfe metaller til relativt lave omkostninger og førte til en eksplosiv vækst i forskningen inden for amorfe legeringer.

I dag produceres omkring 80 % af industrielle amorfe legeringer på grund af deres unikke magnetiske egenskaber. De bruges som bløde magnetiske materialer, der kombinerer isotropiske egenskaber, høj magnetisk permeabilitet, høj mætningsinduktion og lav tvangskraft. De bruges til fremstilling af magnetiske skærme, magnetiske filtre og separatorer, sensorer, optagehoveder mv. Transformatorkerner lavet af amorfe legeringer er kendetegnet ved meget lave magnetiseringsreverseringstab på grund af en smal hystereseløkke, samt høj elektrisk modstand og lille tykkelse af det amorfe bånd, hvilket reducerer tab forbundet med hvirvelstrømme.

For nylig, cirka siden midten af ​​90'erne af det tyvende århundrede, er interessen for de strukturelle elementer i forskellige materialer, herunder metaller, med en skala på nanoskala (1...100 nm) steget betydeligt. Med sådanne størrelser af strukturelle formationer, især krystaller, øges andelen af ​​overfladepartikler, der har en vekselvirkning forskellig fra dem, der er placeret inde i partikelvolumenerne, betydeligt. Som følge heraf kan egenskaberne af materialer dannet af sådanne partikler afvige væsentligt fra egenskaberne af materialer af samme sammensætning, men med større størrelser af strukturelle enheder. For at karakterisere sådanne materialer og metoder til deres produktion er der opstået særlige termer nanomaterialer, nanoteknologi og nanoindustri, som er meget brugt.

I den moderne forståelse er nanomaterialer en type produkt i form af materialer, der indeholder strukturelle elementer af nanometerdimensioner, hvis tilstedeværelse giver en væsentlig forbedring eller fremkomsten af ​​kvalitativt nye mekaniske, kemiske, fysiske, biologiske og andre egenskaber bestemt af manifestation af nanoskalafaktorer. Og nanoteknologi er et sæt metoder og teknikker, der bruges i undersøgelse, design, produktion og brug af strukturer, enheder og systemer, herunder målrettet kontrol og ændring af formen, størrelsen, integrationen og interaktionen af ​​deres konstituerende nanoskala (1...100 nm) elementer for at opnå genstande med nye kemiske, fysiske, biologiske egenskaber. Derfor er nanoindustrien produktion af nanomaterialer, der implementerer nanoteknologier. Når det anvendes på metaller, refererer udtrykket "nanokrystallinsk" normalt til metaller, hvis krystalstørrelser falder inden for ovennævnte nanometerområde.

Udviklingen af ​​nanomaterialer, nanoteknologier og brugen af ​​objekter med kontrollerede strukturer i nanostørrelse er blevet mulig i høj grad på grund af fremkomsten af ​​forskningsinstrumenter og direkte metoder til at studere objekter på atomniveau. For eksempel tillader moderne med en forstørrelse på omkring 1,5x106 visuel observation af atomstruktur.

Der er forskellige måder at opnå nanostrukturerede materialer, herunder metaller. For eksempel kan en nanostruktur opnås i et bulk metal emne ved at slibe almindelige krystaller til nanostørrelse. Dette kan især opnås ved intens plastisk deformation. Metoder til strukturforfining ved deformation tillader imidlertid ikke produktion af nanokrystallinske metaller i industriel skala og hører ikke til traditionelle metallurgiske teknologier.

Samtidig kan en nanokrystallinsk såvel som en amorf metalstruktur opnås ved traditionelle metallurgiske metoder, især ved hurtig afkøling af smelten. Afhængigt af slukningsbetingelserne for den flydende tilstand er tre muligheder for dannelsen af ​​strukturen mulige:

· nanokrystallisation direkte under smeltehærdningsprocessen (det begrænsende tilfælde af konventionel accelereret krystallisation, der fører til dannelsen af ​​ikke blot en finkornet, men en nanostruktur);

· i processen med smeltehærdning sker der delvis krystallisation, således at der dannes en sammensat amorf-krystallinsk struktur;

· under quenching dannes en amorf struktur, og en nanokrystallinsk struktur dannes under efterfølgende annealing.

Nanokrystallinske såvel som amorfe metaller opnået ved væskehærdning bruges også primært som magnetiske og elektriske materialer med unikke egenskaber. De bruges som bløde og hårde magnetiske materialer, ledere, halvledere, dielektriske materialer osv.

Især bløde magnetiske legeringer af Finemet-typen har fundet udbredt anvendelse. Disse er nanokrystallinske legeringer af Fe-Si-B-systemet med tilsætning af Cu og Nb eller andre ildfaste metaller. Legeringer opnås ved delvis krystallisation af den amorfe tilstand. Deres struktur består af ferromagnetiske krystallitter med en størrelse på 10...30 nm, fordelt i en amorf matrix, som udgør fra 20 til 40% af volumenet. Finemet-legeringer har en meget lav tvangskraft, høj magnetisk permeabilitet og magnetisering og lave magnetiseringsreverseringstab, der i deres egenskaber overgår andre bløde magnetiske legeringer, herunder amorfe.

Magnetisk hårde nanokrystallinske legeringer af Fe-Nd-B- og Fe-Sm-N-systemerne er også meget brugt. Da mange magnetiske materialer (Fe–Si, Fe–Nd–B) er sprøde, forbedrer reduktion af kornstørrelsen ikke kun deres magnetiske egenskaber, men øger også duktiliteten.

METODER TIL FREMSTILLING AF AMORFE METALLER

Produktionen af ​​amorfe metaller er mulig ved at knuse det indledende krystallinske legeme for at opnå en amorf struktur ("top-down"-vejen). Vejen involverer afbrydelse af det regelmæssige arrangement af atomer i et krystallinsk legeme som følge af ydre påvirkninger på krystallen og omdannelsen af ​​et fast krystallinsk legeme til et amorft fast stof.

Til dato kendes adskillige tekniske metoder til implementering af disse stier (fig. 1). Da et amorft metal ud fra et termodynamisk synspunkt er et ekstremt ikke-ligevægtssystem med stor overskudsenergi, kræver dets produktion, i modsætning til produktionen af ​​et krystallinsk metal, ikke-ligevægtsprocesser. I denne figur er ligevægtsprocesserne af fasetransformationer af metallet repræsenteret af solide pile, og ikke-ligevægtsprocesserne til opnåelse af et amorft metal er repræsenteret med stiplede pile.

Fig.1. Metoder til at opnå ligevægts- og ikke-ligevægtstilstande af metaller

Som det følger af ovenstående diagram, kan et termodynamisk ikke-ligevægts amorft (og nanokrystallinsk) metal opnås fra enhver ligevægtsfase:

· kondens fra gasfasen. Med visse forbehold kan metoder til elektrolytisk aflejring af amorfe film fra elektrolytopløsninger også inkluderes i denne gruppe;

· amorfisering af den krystallinske tilstand ved at indføre et stort antal defekter i krystallerne;

· hærdning af den flydende tilstand fra en metalsmelte.

De to første metoder til fremstilling af amorfe metaller - fra gasfasen og krystallinske metaller - dukkede op i første halvdel af forrige århundrede og har været brugt i relativt lang tid, men de vedrører ikke metallurgiske teknologier.