Når den sakte avkjøles under krystalliseringspunktet, befinner væsken seg i en underkjølt tilstand. Denne tilstanden til væsken er metastabil, det vil si at den etter en tid må gå inn i en krystallinsk tilstand, som er energetisk gunstig under krystalliseringspunktet. Hvis krystallisering av væsken har funnet sted, vil glassovergang ikke lenger bli observert. Imidlertid, hvis krystalliseringen av en væske av en eller annen grunn er vanskelig, det vil si at levetiden til den metastabile tilstanden er tilstrekkelig lang, så når den underkjølte væsken avkjøles tilstrekkelig raskt, øker dens viskositet raskt og den blir til en fast amorf tilstand.

Overgangen fra en glassaktig til en krystallinsk tilstand, selv om det er mulig, er forbundet med lange ventetider, og er i mange tilfeller praktisk talt uobserverbare.

Muligheten for å oppnå en glassaktig tilstand av et stoff bestemmes av hvor lett dets krystallisering skjer. Basert på dette kriteriet kan stoffer deles inn i tre grupper. Den første gruppen inkluderer mange organiske polymervæsker. Krystallisering av slike væsker er vanskelig på grunn av den lave mobiliteten til de lange polymermolekylene, som er i en kompleks sammenflettet tilstand. Selv med veldig langsom avkjøling av en slik væske, når den temperaturene hvor glassovergangen skjer uten å krystallisere. Slike væsker kalles noen ganger naturlig amorfe. Naturlig amorfe er mange

innfødte harpikser. Den andre gruppen er dannet av stoffer som egner seg godt til både krystallisering (med langsom avkjølingshastighet) og glassovergang. Et klassisk eksempel er glyserin. For slike stoffer er det mulig å måle egenskapene til både krystallen og den underkjølte væsken ved samme temperaturer, noe som viser seg å være viktig for å forstå karakteren av glassovergangen. Væsker fra den første og andre gruppen kalles glassdannende. Den tredje gruppen inkluderer lett krystalliserende stoffer der eksistensen av en glassaktig tilstand lenge ble ansett som umulig. Et klassisk eksempel på slike stoffer er rene metaller og ulike legeringer. Imidlertid har det nylig dukket opp metoder for å oppnå ultrarask kjøling opp til 108 K/s. Med en så rask avkjøling var det mulig å oppnå den amorfe tilstanden til mange metaller og legeringer.

4.2 Metoder for å oppnå amorfe metalliske materialer

Metoder for å produsere amorfe materialer kan deles inn i tre grupper:

Avkjøling ved ultrahøye hastigheter (10 5 - 10 7 K/s) av smeltet metall (slukking fra flytende tilstand). Dette inkluderer å skyte en dråpe smelte på et varmeledende substrat (kjøleskap), flate ut en dråpe mellom kobberplater, støpe en stråle av metallsmelte på et roterende kjøleskap (skive eller trommel), rulle en stråle av smelte mellom ruller, fryse en tynt lag av smelte på kanten av en svært varmeledende skive som raskt roterer i et vertikalt plan. Ved hjelp av disse metodene produseres tape, pulver og fibre fra metallegeringer.

Avsetning av metaller fra gass (damp) fase på et avkjølt substrat. Disse inkluderer termisk fordampning, ionesputtering, plasmaspraying, etc. Disse metodene er preget av en høy bråkjølingshastighet, som tillater dannelse av en amorf tilstand også for legeringer som ikke amorfiserer under bråkjøling fra smelten. Ulempene med disse metodene er lav produktivitet, kompleksitet og høye kostnader for utstyr.

Ødeleggelse av den krystallinske strukturen til et fast stoff på grunn av ytre påvirkninger. Her er ioneimplantasjon av størst interesse, ved hjelp av dette er det mulig å få amorfe lag på ferdige produkter laget av visse metaller.

Et fellestrekk ved de første metodene er å skape forhold for rask avkjøling av smelten som ville forhindre krystalliseringsprosessen. Praksis viser at det er mulig å forhindre krystallisering og fikse den glassaktige tilstanden ved å kontakte den flytende smelten med et kaldt metallsubstrat, som bør være laget av et materiale med god varmeledningsevne. Vanligvis brukes kobber, berylliumbronse og messing til dette formålet. Smelten varmes opp med en induksjonsvarmeanordning eller en motstandsovn.

Det er flere hovedbetingelser, hvis oppfyllelse gjør det mulig å oppnå en amorf legering ved bråkjøling fra flytende tilstand ved romtemperatur og normalt atmosfærisk trykk:

Den volumetriske strømningshastigheten til smelten gjennom dyseåpningen til overflaten av den roterende skiven må være konstant gjennom hele dannelsestiden for den amorfe legering.

Strømmen av den smeltede strålen må være stabil og beskyttet mot påvirkning av små støvpartikler og ukontrollerte luftstrømmer skapt av roterende deler av utstyret.

Den formende overflaten på skiven må være godt polert og ha god mekanisk og termisk kontakt med den smeltede strålen.

De siste årene har metoden med høyhastighets ion-plasmasputtering av materiale på et substrat blitt brukt for å oppnå amorfe strukturer. Sputteringshastigheten avhenger av både spenningen og tettheten til ionestrømmen som kommer inn i målet. De sputterte atomene forlater målet. Noen av atomene faller på substratet og avsettes på det, mens noen går tapt på spesielle skjermer. Sprøyting utføres i 2 trinn:

Innledende. Dens mål er: 1 - det øverste forurensede laget av målet fjernes; 2- en film av det sputterte stoffet avsettes på skjermene, som kan tjene som en getter, etc. i området av substratet skapes et område med redusert innhold av urenheter; 3- forstøvningsprosessen blir mer stasjonær i naturen og sammensetningen av det avsatte laget vil tilsvare sammensetningen av målet først etter at det har gått en tid, hvor sammensetningen av de sputterede atomer utjevner seg. Etter at forhåndssputteringen er fullført, blir underlaget ionisk renset i flere minutter ved å påføre et negativt potensial på 100V. Deretter begynner sprøytingen i driftsmodus. Denne metoden gjør det mulig å lage amorfe strukturer med kompleks sammensetning opptil 1 cm tykk.

For å produsere amorfe metaller brukes for tiden laserstråling, som gjør at metallet raskt kan varmes opp og gir avkjøling av smelten med en hastighet på minst 10 5 - 10 6 K/s. Ved rask smelting vises en homogen væske, som etter størkning blir til den såkalte. glass med uvanlige fysiske og mekaniske egenskaper. Prosessen med dannelse av en lignende struktur på overflaten av metalliske materialer kalles "laserglassovergang".

3.1. Amorfe materialer. Metallmaterialer er enkeltdobbelte eller polykrystallinske legeringer. Stål, støpejern, duralumin, messing, etc. folk har brukt det lenge, men bare nye materialer kan tilfredsstille nye behov. Grunnlaget for materialene er ofte det samme som for polykrystallinske materialer, men tilberedt ved hjelp av en annen teknologi får de nye egenskaper. Vi vil nå vurdere noen teknologier

For å oppnå et amorft materiale fra gassfasen, er det nødvendig at den kinetiske energien til det avsatte atomet ikke overstiger bindingsenergien til atomene på substratet. Atomer med lav mobilitet er plassert på underlaget tilfeldig, og derfor uten struktur. Mobile atomer kan bevege seg og skape en mer energisk gunstig struktur. Fordeler: høy kjølehastighet, som sikrer bevaring av den amorfe tilstanden. Ulemper: lav veksthastighet av det amorfe laget, krav til høyt vakuum, og muligheten for at atomer i den evakuerte atmosfæren kommer inn på underlaget. Spesifikke teknologier: Termisk fordampning i vakuum Laser- eller elektronstrålefordampning Plasmafordampning Katodesputtering Plasmakjemi, dvs. dekomponering i et glødeutslipp Preparat fra gassfasen

Amorfe stoffer oppnås ved utfellingsreaksjoner fra løsning. Hvis forholdene endres veldig raskt, kan det hende at den krystallinske strukturen ikke har tid til å organisere seg, og den vil være amorf. Metoder: Fordampning. Tilsetning av utfellingsmidler, for eksempel til et polart løsningsmiddel - ikke-polart, eller til et ikke-polart - polar. Elektrolytisk avsetning. Her tilsettes fosfor eller bor til elektrolyttbadet. De fremmer dannelsen av ikke-krystallinske metaller. Termisk dekomponering av gelen. Forberedelse fra løsninger.

Forberedelse fra den krystallinske fase 1. Det mest trivielle er å raskt varme og raskt avkjøle. Eller andre sterke påvirkninger som atomer kan forlate sine likevektsposisjoner under. 2. Fastfasereaksjoner. 3. Sterke mekaniske påvirkninger, for eksempel i en planet- eller vibrasjonsmølle, når mekanisk uorden på overflaten kan spre seg dypt inn i materialet. For eksempel dislokasjoner, som det er så mange av at det ikke gir mening å snakke om et krystallinsk materiale. 4. Bestråling av overflaten med nøytroner, eller bombardement med ioner (for eksempel ioneimplantasjon). Virkningen av en sjokkbølge.

Forberedelse fra smelter For å få glass fra smelter kreves høy viskositet. Som vi diskuterte tidligere, skjer krystallisering gjennom dannelse og vekst av kjerner i en ny fase. Hvis viskositeten er høy, krever molekylene betydelig tid for å bygge krystaller. Hvis du avkjøler den raskt, rekker ikke den krystallinske strukturen å stille seg på linje. Eksempel med silisiumdioksyd SiO 2. Smelte 1722 C, glass T 1222 C, viskositet ved smelte 1 MPa.s. (Oksygen, svovel, selen-kalkogener). Chalcogenide briller - forbindelser med andre elementer. Typiske sammensetninger: Ge S, Ge Se, As S, As Se, Ge S P, Ge As Se, Ge Se Te, As Se Te, Ge As Se Te, etc. Høy viskositet gjør forbindelsene amorfe eller glassaktige.

Metallbriller Metallbriller produseres ved: ultrarask herding; veldig rask avkjøling; gasssprøyting K/s; Sentrifugeringsdispersjon Avkjøling i gass er langsom, i væske opptil 10 5 K/s, på metall – opptil 10 8 K/s. Skuddsprøyting, plasmasprøyting, sylinderstøping, sentrifugestøping, roterende sylinder i bad. Ruller mellom to rundstykker. Sug inn i en kapillær under vakuum, press gjennom en dyse med avkjøling i skallet. Metoder for sveising ved laserbestråling, ved bruk av høyspentgnist, gassutladning, elektronstråle - opptil K/S

Nanomaterialer Nanovitenskap, nanoteknologi, nanostrukturerte materialer og objekter. De utpeker prioriterte områder for vitenskapelig og teknologisk politikk i utviklede land. I USA er det altså et program kalt National Nanotechnology Initiative (budsjett ~500 millioner dollar). Den europeiske union vedtok nylig det sjette vitenskapelige rammeprogrammet, der nanoteknologi inntar en ledende posisjon. Den russiske føderasjonens industri- og vitenskapsdepartementet og Det russiske vitenskapsakademi har også lister over prioriterte, banebrytende teknologier med prefikset nano-. Dagens situasjon ligner på mange måter den som gikk forut for den totale datarevolusjonen, men konsekvensene av nanoteknologirevolusjonen vil bli enda større.

Fundamentals of Nanotechnology nanos, oversatt som dverg Utvalget av nanoobjekter - fra individuelle atomer (R

Forholdet mellom "overflate" og "bulk" atomer Fraksjonen av atomer a lokalisert i et tynt overflatenært lag (~1 nm) øker med avtagende partikkelstørrelse R, siden a ~ S/V ~ R 2 /R 3 ~ 1/ R (her er S overflaten til partikkelen, V er volumet). Det er velkjent at overflateatomer har egenskaper som skiller seg fra bulkatomer, siden de er knyttet til naboene på en annen måte enn i bulken. Overflatelaget kan betraktes som en ny materietilstand.

Forklaringer til forrige lysbilde Eksempler på den spesifikke oppførselen til materie på submikronskalanivå og hovedårsakene til nanoobjekters spesifisitet. 1 - oscillerende karakter av endringen i egenskaper, 2 - vekst av karakteristikken med metning, 3 - vekst av karakteristikken med et maksimum. Til slutt, hvis et objekt har en atomskala i én, to eller tre retninger, kan egenskapene avvike kraftig fra bulkegenskaper for det samme materialet på grunn av manifestasjonen av kvantelover i atferd

Biofysikere har laget en nanoelektronisk enhet basert på et enkelt organisk molekyl.Ved Arizona State University har de laget en elektronisk enhet som består av et enkelt organisk molekyl. Kjeden av syv anilinfragmenter oppfører seg som en negativ differensialmotstand. Resultatet av arbeidet til biofysikere kan brukes i nanoelektronikk.

Hva og hvordan oppnås Høystyrke nanokrystallinske og amorfe materialer, tynnfilm og heterostrukturkomponenter av mikroelektronikk og optotronikk av neste generasjon, myke og harde magnetiske materialer, nanoporøse materialer for kjemisk og petrokjemisk industri, integrerte mikroelektromekaniske enheter, brenselceller, elektriske batterier og andre energiomformere, biokompatibelt vev for transplantasjon, medisinske legemidler.

Øynene og fingrene til nanoteknologi En sonde, en godt skjerpet nål med en apex-radius på ~10 nm) og en skannemekanisme som er i stand til å flytte den over prøveoverflaten i tre dimensjoner. Grov posisjonering utføres ved hjelp av tre-aksede motoriserte bord. Finskanning er implementert ved hjelp av tre-koordinat piezo-aktuatorer, som gjør det mulig å flytte nålen eller prøven med en nøyaktighet på brøkdeler av en ångstrøm med titalls mikrometer i x og y og med enheter av mikrometer i z.

For tiden kjente metoder er scanning tunneling mikroskopi; i den påføres en liten spenning (~ V) mellom den elektrisk ledende spissen og prøven, og strømmen i gapet registreres, avhengig av egenskapene og arrangementet til atomer på overflaten av prøven som studeres; - atomkraftmikroskopi; den registrerer endringer i tiltrekningskraften til nålen til overflaten fra punkt til punkt. Nålen er plassert i enden av en utkragende bjelke (cantilever), som har en kjent stivhet og er i stand til å bøye seg under påvirkning av små krefter som oppstår mellom overflaten som studeres og spissen av spissen. Deformasjonen av utkragingen registreres ved avbøyning av en laserstråle som faller inn på dens bakoverflate, eller ved å bruke en piezoresistiv effekt som oppstår i selve utkragingen; – nærfelt optisk mikroskopi; i den er sonden en optisk bølgeleder (fiber), avsmalnende i enden som vender mot prøven til en diameter som er mindre enn lysets bølgelengde.
Hva er fremover? Det første trinnet i denne retningen er etableringen av mikro-nano-elektromekaniske systemer (MEMS/NEMS). Nanospisser, nanoantilevers og ganske enkelt nanoledere kan være svært følsomme og selektive sensorer plassert på samme brikke med elektronikk. Nanopumper kan legges til dem, og resultatet vil være et analytisk kjemisk laboratorium plassert på en plate med et areal på ~1 cm2. Det finnes allerede analysatorer for kjemiske krigføringsmidler, biologiske våpen, en kunstig nese og en kunstig tunge for sertifisering av matvarer (vin, oster, frukt, grønnsaker).

Militære søknader Det amerikanske forsvarsdepartementet finansierer for eksempel et program for å lage Smart dust - smart dust, dvs. en stor familie av mikroroboter, på størrelse med et støvkorn, som, spredt over fiendens territorium, kan trenge gjennom alle sprekker og kommunikasjonskanaler, lage sitt eget nettverk, samle inn og overføre operasjonell informasjon, utføre spesielle operasjoner, etc.

Medisin Det er også mer humanistiske prosjekter: å lage spesielle mikrorobotleger som vil kombinere funksjonene til en diagnostiker, terapeut og kirurg, som beveger seg gjennom menneskets sirkulasjons-, lymfe- eller andre system. Prøver av slike roboter har allerede blitt produsert, med alle funksjonelle komponenter og dimensjoner på omtrent 1 mm (for tiden 2008 - 0,2 mm), og det er en reell utsikt til å redusere størrelsen til mikron- og submikronnivå.

I de siste årene av 1900-tallet ble oppmerksomheten til fysikere og materialforskere trukket mot slik kondensert materie, som er preget av et uordnet arrangement av atomer i rommet. Den engelske fysikeren J. Ziman uttrykte den generelle interessen for den uordnede tilstanden på følgende måte: «Forstyrrede faser av kondensert materie - stål og glass, jord og vann, om enn uten de andre elementene, ild og luft - finnes uforlignelig oftere og praktisk talt. termer er ikke mindre viktige enn idealiserte enkeltkrystaller, som for ikke så lenge siden var den eneste bekymringen for faststofffysikk."

Blant fast kondensert materiale fortjener de såkalte metallglassene - amorfe metalllegeringer (AMA) med et uordnet arrangement av atomer i rommet - spesiell oppmerksomhet. Inntil nylig var begrepet "metall" assosiert med begrepet "krystall", hvis atomer er plassert i rommet på en strengt ordnet måte. Imidlertid på begynnelsen av 60-tallet. I den vitenskapelige verden har det spredt seg et budskap om at det er oppnådd metalllegeringer som ikke har en krystallinsk struktur. Metaller og legeringer med et tilfeldig arrangement av atomer begynte å bli kalt amorfe metallglass, og hyller analogien som eksisterer mellom den uordnede strukturen til en metalllegering og uorganisk glass.

Oppdagelsen av amorfe metaller ga et stort bidrag til vitenskapen om metaller, og endret vår forståelse av dem betydelig. Det viste seg at amorfe metaller er slående forskjellige i egenskapene deres fra metallkrystaller, som er preget av et ordnet arrangement av atomer.

AMC oppnås ved rask bråkjøling av smelter ved flytende metallavkjølingshastigheter på 10 4 –10 6 °C/s og forutsatt at legeringen inneholder en tilstrekkelig mengde amorfiserende elementer. Amorphizers er ikke-metaller: bor, fosfor, silisium, karbon. Følgelig er amorfe metallegeringer delt inn i "metall-ikke-metall" og "metall-metall" legeringer.

Myke magnetiske legeringer av "metall - ikke-metall"-systemet er mye brukt industrielt. De er produsert på grunnlag av ferromagnetiske metaller - jern, nikkel, kobolt, ved å bruke forskjellige kombinasjoner av ikke-metaller som amorfiseringsmidler.

Strukturen til amorfe legeringer ligner strukturen til en frossen væske. Størkning skjer så raskt at atomene i stoffet fryses i posisjonene de opptok mens de er i flytende tilstand. Den amorfe strukturen er preget av fraværet av lang rekkefølge i arrangementet av atomer (figur 1), på grunn av hvilken det ikke er noen krystallinsk anisotropi, det er ingen grenser for blokker, korn og andre strukturelle defekter som er typiske for polykrystallinske legeringer.

Bilde 1. Datamodeller av strukturen til langdistanse (a) og kortdistanse (b) bestillinger

Konsekvensen av denne amorfe strukturen er de uvanlige magnetiske, mekaniske, elektriske egenskapene og korrosjonsmotstanden til amorfe metallegeringer. Sammen med høy magnetisk mykhet (nivået av elektromagnetiske tap i amorfe legeringer med høy magnetisk induksjon er betydelig lavere enn i alle kjente krystallinske legeringer), viser disse materialene eksepsjonelt høy mekanisk hardhet og strekkfasthet, i noen tilfeller har de en termisk utvidelseskoeffisient nær null, og deres elektriske resistivitet er tre til fire ganger høyere enn verdien for jern og dets legeringer. Noen av de amorfe legeringene er preget av høy korrosjonsbestandighet.

Størkning med dannelse av en amorf struktur er grunnleggende mulig for alle metaller og legeringer. For praktiske anvendelser brukes vanligvis legeringer av overgangsmetaller (Fe, Co, Mn, Cr, Ni, etc.), hvor amorfe elementer som B, C, Si, P, S tilsettes for å danne en amorf struktur. amorfe legeringer inneholder vanligvis ca. 80 % (at.) ett eller flere overgangsmetaller og 20 % metalloider tilsatt for å danne og stabilisere den amorfe strukturen. Sammensetningen av amorfe legeringer er lik i henhold til formelen M 80 X 20, hvor M er ett eller flere overgangsmetaller, og X er en eller flere amorfiseringsmidler. Det er kjent amorfe legeringer, hvis sammensetning tilsvarer den gitte formelen: Fe 70 Cr 10 P 15 B 5, Fe 40 Ni 40 Si 14 B 6, Fe 80 P 13 B 7 osv. Amorfiseringsmidler senker smeltepunktet og gir ganske hurtig avkjøling av smelten under dens temperaturglassovergang slik at det dannes en amorf fase. Den termiske stabiliteten til amorfe legeringer er mest påvirket av silisium og bor; legeringer med bor og karbon har størst styrke, og korrosjonsmotstanden avhenger av konsentrasjonen av krom og fosfor.

Amorfe legeringer er i en termodynamisk ikke-likevektstilstand. På grunn av deres amorfe natur har metallglass egenskaper som er iboende i ikke-metalliske glass: når de varmes opp, gjennomgår de strukturell avslapning, devitrifisering og krystallisering. Derfor, for stabil drift av produkter laget av amorfe legeringer, er det nødvendig at deres temperatur ikke overstiger en viss driftstemperatur spesifisert for hver legering.

2. Metoder for fremstilling av amorfe legeringer

Ultrahøye kjølehastigheter av flytende metall for å oppnå en amorf struktur realiseres på forskjellige måter. Felles for dem er å sikre en kjølehastighet på minst 10 6 °C/s.

Det finnes forskjellige metoder for å produsere amorfe legeringer: å slynge en dråpe på en kald plate, sprøyte en stråle med gass eller væske, sentrifugere en dråpe eller stråle, smelte en tynn film av metalloverflaten med en laser med rask varmefjerning med massen av grunnmetallet, ultrarask avkjøling fra et gassformig medium, etc.

Bruken av disse metodene gjør det mulig å få tak i forskjellige tykkelser, tråd og pulver.

Mottar båndet. De mest effektive metodene for industriell produksjon av amorf tape er å avkjøle en stråle av flytende metall på de ytre (plateslukking) eller indre (sentrifugalslukking) overflater av roterende tromler eller å rulle smelten mellom kalde valser laget av materialer med høy varmeledningsevne.

Figur 2 viser skjematiske diagrammer av disse metodene. Smelten oppnådd i en induksjonsovn presses ut av dysen av en nøytral gass og størkner ved kontakt med overflaten til et roterende avkjølt legeme (kjøleskap). Forskjellen er at i sentrifugal bråkjøling og skive bråkjøling metoder, er smelten avkjølt på bare én side. Hovedproblemet er å få en tilstrekkelig grad av renslighet av den ytre overflaten, som ikke kommer i kontakt med kjøleskapet. Smeltevalsemetoden gir god kvalitet på begge overflater av båndet, noe som er spesielt viktig for amorfe bånd som brukes til magnetiske opptakshoder. Hver metode har sine egne begrensninger på størrelsen på båndene, siden det er forskjeller i både størkningsprosessen og utstyret som brukes. Hvis båndbredden er opptil 5 mm under sentrifugalherding, produserer rulling bånd med en bredde på 10 mm eller mer. Skiveherdingsmetoden, som krever enklere utstyr, gjør at båndbredden kan varieres innenfor et bredt område avhengig av størrelsen på smeltediglene. Denne metoden gjør det mulig å produsere både smale bånd med en bredde på 0,1–0,2 mm, og brede - opptil 100 mm, og breddenøyaktigheten kan være ±3 mikron. Installasjoner med en maksimal digelkapasitet på opptil 50 kg er under utvikling.

Figur 2: a - sentrifugal herding; b - herding på disken; c - smelte rulling; g - sentrifugal herding; d - planetarisk herding

I alle bråkjølingsinstallasjoner størkner metallet raskt fra flytende tilstand, og sprer seg i et tynt lag over overflaten av et roterende kjøleskap. Hvis sammensetningen av legeringen er konstant, avhenger kjølehastigheten av tykkelsen på smelten og egenskapene til kjøleskapet. Tykkelsen på smelten på kjøleskapet bestemmes av rotasjonshastigheten og strømningshastigheten til smelten, det vil si at den avhenger av dysens diameter og gasstrykket på smelten. Av stor betydning er det riktige valget av tilførselsvinkelen til smelten til disken, som lar deg øke varigheten av kontakten til metallet med kjøleskapet. Avkjølingshastigheten avhenger også av egenskapene til selve smelten: termisk ledningsevne, varmekapasitet, viskositet, tetthet.

Mottaksledning. For å oppnå tynn amorf tråd brukes ulike metoder for å trekke fibre fra smelten (figur 3).

Figur 3: a - trekke smelten gjennom et kjølemiddel (smelteekstrudering); b - trekke tråden fra den roterende trommelen; c - trekke ut smelten i en glasskapillær; 1 - smelte; 2 - kjølevæske; 3 - glass; 4 - dyse; 5 - trådvikling

Den første metoden (figur 3, a) - smeltet metall trekkes i et rundt rør gjennom en vandig løsning av salter. Den andre metoden (figur 3, b) - en strøm av smeltet metall faller inn i en væske som holdes av sentrifugalkraft på den indre overflaten av en roterende trommel: den størknede tråden vikles deretter av den roterende væsken. En kjent metode består i å produsere en amorf tråd ved å trekke smelten så raskt som mulig i en glasskapillær (Figur 3, c). Denne metoden kalles Taylor-metoden. Fiberen oppnås ved å trekke smelten samtidig med et glassrør, og fiberdiameteren er 2–5 mikron. Den største vanskeligheten er å skille fiberen fra glasset som dekker det, noe som naturlig begrenser sammensetningen av legeringene som er amorfisert ved denne metoden.

Tilberedning av pulver. For å produsere amorfe legeringspulvere kan du bruke metodene og utstyret som brukes til å produsere konvensjonelle metallpulver.

Figur 4 viser skjematisk flere metoder som gjør det mulig å oppnå amorfe pulvere i store mengder. Blant dem bør sprøytemetoder (Figur 4, a) som har bevist seg noteres.

Figur 4: a - sprøytemetode (sprøytemetode); b - kavitasjonsmetode; c - metode for å sprøyte smelten med en roterende skive; 1 - pulver; 2 - råstoff; 3 - dyse; 4 - kjølevæske; 5 - avkjølt plate

Det er kjent å produsere amorfe pulvere ved hjelp av kavitasjonsmetoden, som realiseres ved å rulle smelten i ruller, og ved metoden for å sprøyte smelten med en roterende skive. I kavitasjonsmetoden (Figur 4, b) presses smeltet metall ut i gapet mellom to ruller (0,2–0,5 mm), laget for eksempel av grafitt eller bornitrid. Kavitasjon oppstår - smelten kastes ut av ruller i form av et pulver, som faller på en avkjølt plate eller i en avkjølende vandig løsning. Kavitasjon oppstår i gapet mellom rullene, som et resultat av at gassboblene i metallet forsvinner. Metoden for å sprøyte med en roterende skive (Figur 4, c) er i prinsippet lik den tidligere beskrevne metoden for å produsere tynn tråd, men her sprøytes det smeltede metallet som kommer inn i væsken på grunn av sin turbulente bevegelse. Ved å bruke denne metoden oppnås pulver i form av granuler med en diameter på ca. 100 mikron.

3. Merking, egenskaper og anvendelser av amorfe legeringer

Merking av amorfe legeringer utføres i henhold til TU 14-1-4972-91 ved bruk av et alfanumerisk notasjonssystem. Elementer er betegnet med bokstaver i det russiske alfabetet på samme måte som for stål. Tallene før bokstavbetegnelsen til et element indikerer dets gjennomsnittlige innhold i legeringen. Innholdet av silisium og bor er ikke angitt i merkebetegnelsen; deres totale innhold, som amorfiserende elementer, er 20–25 % (at.).

Den kjemiske sammensetningen av amorfe legeringer er også indikert med symboler på kjemiske elementer med digitale indekser som indikerer innholdet av et gitt grunnstoff (% (at.)), for eksempel Fe 31 B 14 Si 4 C 2. Legeringer produsert i industriell skala kalles Metglas i USA, Vitrovac i Tyskland og Amomet i Japan. Et kodenummer er lagt til disse navnene.

På grunn av bindingens metalliske natur, skiller mange egenskaper til metallglass seg vesentlig fra egenskapene til ikke-metalliske glass. Disse inkluderer ødeleggelsens viskøse natur, høy elektrisk og termisk ledningsevne og optiske egenskaper.

Tettheten til amorfe legeringer er bare 1–2 % mindre enn tettheten til de tilsvarende krystallinske legemer. Metalliske glass har en tettpakket struktur, veldig forskjellig fra den løsere strukturen til ikke-metalliske glass med retningsbindinger.

Amorfe metaller er materialer med høy styrke. Sammen med høy styrke er de preget av god duktilitet i kompresjon (opptil 50%) og bøying. Ved romtemperatur blir amorfe legeringer kaldvalset til tynn folie. En stripe av amorf legering Ni 49 Fe 29 P 14 B 6 A 12 med en tykkelse på 25 mikron kan bøyes rundt spissen av et barberblad uten at det dannes mikrosprekker. Men når de strekkes, er deres relative forlengelse ikke mer enn 1–2 %. Dette forklares med det faktum at plastisk deformasjon forekommer i smalt (10–40 nm) lokaliserte skjærbånd, og utover disse båndene utvikles deformasjonen praktisk talt ikke, noe som fører til lave verdier av makroskopisk strekkplastisitet. Flytegrensen til 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 flytegrensen for høyfast stål er vanligvis ikke mer enn 2 500 MPa.

Amorfe legeringer er preget av et klart lineært forhold mellom hardhet og styrke. For legeringer basert på Fe, Ni og Co er uttrykket HV = 3,2 σ t gyldig, noe som gjør det mulig å bruke hardhetstesteravlesninger med tilstrekkelig nøyaktighet for å bestemme styrkekarakteristikker. Bruddenergien og slagstyrken til amorfe legeringer overgår også betydelig disse egenskapene til konvensjonelle krystallinske materialer - stål og legeringer, og enda mer uorganiske glass. Bruddets natur indikerer duktilt brudd på metallglass. Dette kan skyldes deres adiabatiske oppvarming som følge av plastisk deformasjon.

Amorfe strukturelle legeringer . AMC-er har et verdifullt sett med mekaniske egenskaper. Først av alt er funksjonen deres kombinasjonen av høy hardhet og styrke. Hardhet HV kan nå verdier på mer enn 1000, og styrke - 4000 MPa og høyere. For eksempel har legeringen Fe 46 Cr 16 Mo 20 C 18 en hardhet 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 preget av høy elastisk deformasjon - ca. 2%, lav duktilitet - δ = 0,03–0,3%. Legeringer kan imidlertid ikke klassifiseres som sprø materialer, siden de kan stemples, kuttes og rulles. Legeringene egner seg godt til kaldvalsing med en reduksjon på 30–50 % og trekking med en reduksjon på opptil 90 %.

De mekaniske egenskapene til noen amorfe legeringer er gitt i tabell 1.

Tabell 1 - Mekaniske egenskaper til amorfe metallegeringer

Legering	HV	σ inn	σ 0,2	E,	E/σ inn	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 høye mekaniske egenskaper har amorfe strukturelle legeringer god korrosjonsbestandighet. Muligheten for å bruke amorfe strukturelle legeringer er begrenset av den relativt lave temperaturen (Tcryst) av deres overgang til en krystallinsk tilstand ved oppvarming, tilstedeværelsen av temperament sprøhet som oppstår under kortvarig oppvarming til temperaturer betydelig lavere enn Tcryst, og også av faktum at utvalget av produserte materialer er begrenset. Det produseres kun tynne bånd, folie og tråder. Massive emner og produkter kan oppnås ved bruk av pulvermetallurgiske metoder. Imidlertid er den vanlige teknologien - sintringspulveremner - uakseptabel på grunn av den lave termiske stabiliteten til amorfe materialer. Eksperimentelt fremstilles prøver fra amorfe pulvere ved eksplosiv pressing.

Levetiden til en amorf legering avhenger av driftstemperaturen. Den termiske motstanden til amorfe legeringer er lav. Det finnes imidlertid materialer med T-krystaller over 725 °C. Disse inkluderer spesielt Ti 40 Ni 40 Si 20-legeringen med høye mekaniske egenskaper: HV 1070, σ in = 3450 MPa og spesifikk styrke σ i /(ρg) = 58 km (ρ - tetthet; g - akselerasjon av fritt fall ) .

Høystyrke AMC-garn kan brukes i komposittmaterialer, og tape kan brukes som viklinger for å styrke trykkbeholdere.

Amorfe metallegeringer er lovende materialer for fremstilling av elastiske elementer. Ti 40 Be 40 Zr 10 legeringen, som har høy avslapningsmotstand og elastisk energireserve, fortjener oppmerksomhet. Den effektive kraften til fjærer laget av denne legeringen er en størrelsesorden overlegen fjærer laget av konvensjonelle polykrystallinske metaller.

Fraværet av korngrenser, høy hardhet, slitestyrke og korrosjonsmotstand til amorfe legeringer gjør det mulig å produsere tynnkantede verktøy av høy kvalitet, for eksempel barberblader, fra dem.

Amorfisering av overflatelagene til produkter ved laserbehandling (for å øke deres hardhet) kan konkurrere med tradisjonelle metoder for overflateherding. Spesielt denne metoden økte overflatehardheten til enkrystalllegeringen Ni 60 Nb 40 med en størrelsesorden (HV 1050) og oppnådde en hardhet på HV 1200 på overflaten av støpejernsprodukter av sammensetningen: 3,20% C ; 2,60% Si; 0,64 % Mn, 0,06 % R.

Myke magnetiske og harde magnetiske amorfe legeringer . Amorfe myke magnetiske legeringer brukes i elektroniske produkter. I henhold til deres kjemiske sammensetning er legeringer delt inn i tre systemer: jernbasert, jern og nikkel, jern og kobolt. Et stort antall sammensetninger av amorfe metalliske materialer er utviklet, men legeringer i et begrenset utvalg produseres i eksperimentelle og pilotpartier.

Jernbasert AMS preget av høy metningsinduksjon (1,5–1,8 T). I denne forbindelse er de nest etter elektriske stål og jern-koboltlegeringer. Bruken av AMS i krafttransformatorer er lovende. Dette krever imidlertid en endring i tra(vikling av tape på transformatorspoler, gløding i et magnetfelt og i et inert miljø, spesielle forhold for tetting og impregnering av kjernene). Denne AMS-gruppen inkluderer 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, etc.

Jern-nikkel AMS har høy magnetisk permeabilitet; når det gjelder metningsinduksjon, er de sammenlignbare med magnetiske metalllegeringer og ferritter, de har en lav tvangskraft og en høy rektangularitet av hysteresesløyfen. AMC-er brukes til produksjon av transformatorer og elektromagnetiske enheter som opererer ved høyere frekvenser, noe som gjør det mulig å redusere dimensjonene til produktene. Denne AMS-gruppen inkluderer 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.

Svært permeable jern-kobolt amorfe metallegeringer kan erstatte høyinduksjonspermalloys i elektronisk utstyr, og overgå sistnevnte i enkelte egenskaper og produksjonsevne. Bånd laget av amorfe koboltlegeringer brukes i kjernene til små høyfrekvente transformatorer til forskjellige formål, spesielt for sekundære strømforsyninger og magnetiske forsterkere. De brukes i strømlekkasjedetektorer, telekommunikasjonssystemer og som sensorer (inkludert fluxgate type), for magnetiske skjermer og temperaturfølsomme sensorer, samt svært følsomme modulasjonsmagnetiske omformere.

Legeringer brukes til magnethoder som brukes til å registrere og gjengi informasjon. På grunn av deres økte slitestyrke og høye magnetiske egenskaper i felt med lav intensitet, er koboltbaserte legeringer overlegne i en rekke parametere enn myke magnetiske materialer som tradisjonelt har blitt brukt til disse formålene. Denne gruppen av 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, etc. ...

Ved bruk av katodeforstøvningsmetoden ble det oppnådd amorfe filmer av den hardmagnetiske legeringen SmCo 5 med en magnetisk energi på 120 kT·A/m, som kan brukes til fremstilling av små permanente magneter til forskjellige formål.

Invar amorfe legeringer. Noen jernbaserte AMC-er (93ZhKhR-A, 96ZhR-A) har en lav lineær ekspansjonskoeffisient 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 høy elektrisk motstand. Mikrotråder i glassisolasjon er laget av dem. AMS (Ni–Si–B-systemer) sammenligner seg gunstig i egenskaper med krystallinske legeringer. De har en størrelsesorden lavere termisk koeffisient for elektrisk motstand og 1,5 ganger større elektrisk resistivitet. Legeringene er paramagnetiske, korrosjonsbestandige, har en lineær temperaturavhengighet av emk og en relativt høy krystalliseringstemperatur. Fraværet av magnetokrystallinsk anisotropi, kombinert med en ganske høy elektrisk motstand, reduserer virvelstrømstap, spesielt ved høye frekvenser. Tap i kjerner laget av den amorfe legeringen Fe 81 B 13 Si 4 C 2 utviklet i Japan er 0,06 W/kg, dvs. omtrent tjue ganger lavere enn tapene i kornorienterte transformatorstålplater. Besparelser på grunn av reduksjon av hysterese-energitap ved bruk av Fe 83 B 15 Si 2-legeringen i stedet for transformatorstål utgjør 300 millioner dollar per år i USA alene. De kan brukes ikke bare til fremstilling av presisjonsmotstander, men også til strekkmålere ved måling av deformasjoner og mikroforskyvninger osv. Legeringer i denne gruppen inkluderer: 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, etc.

Lovende bruksområder for AMS. Kombinasjonen av høy styrke, korrosjon og slitestyrke, samt myke magnetiske egenskaper indikerer muligheten for en rekke bruksområder. For eksempel er det mulig å bruke slike glass som induktorer i magnetiske separasjonsanordninger. Produkter vevd av tape ble brukt som magnetiske skjermer. Fordelen med disse materialene er at de kan kuttes og bøyes til ønskede former uten å gå på bekostning av deres magnetiske egenskaper.

Det er kjent å bruke amorfe legeringer som katalysatorer for kjemiske reaksjoner. For eksempel viste en amorf Pd-Rb-legering seg å være en katalysator for dekomponeringsreaksjonen av NaCl (aq) til NaOH og Cl 2, og jernbaserte legeringer gir et høyere utbytte (ca. 80%) sammenlignet med jernpulver (ca. 15 %) i 4H-syntesereaksjonen 2 + 2CO = C 2 H 4 + 2 H 2 O.

Fordi glass er svært underkjølte væsker, skjer deres krystallisering når de varmes opp vanligvis med sterk kjernedannelse, noe som resulterer i et homogent, ekstremt finkornet metall. En slik krystallinsk fase kan ikke oppnås ved konvensjonelle prosesseringsmetoder. Dette åpner for muligheten for å få spesiallodd i form av en tynn stripe. Denne tapen bøyes lett og kan kuttes og stemples for å oppnå optimal konfigurasjon. Det er veldig viktig for lodding at tapen er homogen i sammensetning og gir pålitelig kontakt på alle punkter av produktene som loddes. Loddet har høy korrosjonsbestandighet. De brukes innen luftfart og romteknologi.

I fremtiden er det mulig å oppnå superledende kabler ved krystallisering av den innledende amorfe fasen.

Amorfe jern-nikkel-legeringer som inneholder krom gir uvanlig høy korrosjonsbestandighet i en rekke korrosive miljøer.

Figur 5 viser korrosjonshastighetene til krystallinske prøver av kromstål og amorfe Fe 80-x Cr x P 13 C 7-legeringer, bestemt fra vekttapet av prøver holdt i en konsentrert NaCl-løsning. Korrosjonsbestandigheten til legeringer med et krominnhold over 8 % (at.) er flere størrelsesordener høyere enn for klassisk rustfritt stål.

Figur 5. Effekt av krominnhold på korrosjonshastigheten til den amorfe Fe 80-x Cr x P 13 C 7-legeringen (1) og krystallinsk Fe–Cr (2) og NaCl ved 30 °C

En amorf legering som ikke inneholder krom korroderer raskere enn krystallinsk jern, men (ettersom krominnholdet øker), reduseres korrosjonshastigheten til den amorfe legeringen kraftig og ved et innhold på 8 % (at.) blir Cr ikke lenger detektert av mikrobalanser etter eksponering i 168 timer.

Amorfe legeringer er praktisk talt ikke utsatt for gropkorrosjon selv ved anodisk polarisering i saltsyre.

Høy motstand mot korrosjon skyldes dannelsen av passiverende filmer på overflaten som har høye beskyttende egenskaper, høy grad av jevnhet og rask dannelse. I tillegg til krom, bidrar introduksjonen av fosfor til å øke korrosjonsbestandigheten. Filmen av krystallinsk stål med høyt krom inneholder alltid mikroporer, som over tid forvandles til korrosjonslommer. På amorfe legeringer som inneholder en viss mengde krom og fosfor, kan en passiverende film med høy grad av homogenitet dannes selv i 1 N. HCl-løsning. Dannelsen av en homogen passiveringsfilm sikres av den kjemiske og strukturelle homogeniteten til den amorfe fasen, fri for krystallinske defekter (utfellinger av overflødig fase, segregasjonsformasjoner og korngrenser).

Legering Fe 45 Cr 25 Mo 10 P 13 C 7, passiverende selv i en så konsentrert løsning som 12 N. HCl-løsning ved 60 °C, korroderer nesten ikke. Denne legeringen er overlegen tantalmetall i sin korrosjonsbestandighet.

Amorfe metaller kalles ofte fremtidens materialer, på grunn av de unike egenskapene deres, som ikke finnes i vanlige krystallinske metaller (tabell 2).

Tabell 2 - Egenskaper og hovedanvendelsesområder for amorfe metalliske materialer

Eiendom	applikasjon	Legeringssammensetning
Høy styrke, høy seighet	Tråd, armeringsmaterialer, fjærer, skjæreverktøy	Fe75Si10B15
Høy korrosjonsbestandighet	Elektrodematerialer, filtre for arbeid i sure løsninger, sjøvann, avløpsvann	Fe45Cr25Mo10P13C7
Høy metningsmagnetisk flukstetthet, lave tap	Transformatorkjerner, omformere, choker	Fe81B13Si4C2
Høy magnetisk permeabilitet, lav koercitivitet	Magnetiske hoder og skjermer, magnetometre, signalutstyr	Fe5Co70Si10B15
Konstans av elastisitetsmodul og temperaturkoeffisient for lineær ekspansjon	Invar og elite materialer	Fe83B17

Den brede distribusjonen av amorfe metaller hemmes av høye kostnader, relativt lav termisk stabilitet, samt den lille størrelsen på de resulterende båndene, ledningene og granulatene. I tillegg er bruken av amorfe legeringer i strukturer begrenset på grunn av deres lave sveisbarhet.

Basert på det relative arrangementet av atomer og molekyler, kan materialer være krystallinske eller amorfe. Den ulik struktur av krystallinske og amorfe stoffer bestemmer også forskjellen i egenskapene deres. Amorfe stoffer, som har ubrukt indre krystalliseringsenergi, er kjemisk mer aktive enn krystallinske med samme sammensetning (for eksempel amorfe former av silika: pimpstein, tripolite, diatomitter sammenlignet med krystallinsk kvarts).

En vesentlig forskjell mellom amorfe og krystallinske stoffer er at krystallinske stoffer ved oppvarming (ved konstant trykk) har et visst smeltepunkt. Og amorfe dem mykner og blir gradvis til en flytende tilstand. Styrken til amorfe stoffer er som regel lavere enn krystallinske, derfor, for å oppnå materialer med økt styrke, utføres krystallisering spesielt, for eksempel ved produksjon av glasskrystallinsk materiale - glasskeramikk.

Ulike egenskaper kan observeres i krystallinske materialer med samme sammensetning hvis de dannes i forskjellige krystallinske former, kalt modifikasjoner (fenomenet polymorfisme). For eksempel er polymorfe transformasjoner av kvarts ledsaget av en endring i volum. Å endre egenskapene til et materiale ved å endre krystallgitteret brukes ved varmebehandling av metaller (herding eller herding).

- Påvirkningen av materialers sammensetning og struktur på deres egenskaper. Typer strukturer av byggematerialer.

Egenskapene til byggematerialer er i stor grad knyttet til særegenhetene ved deres struktur og til egenskapene til stoffene som materialet består av. I sin tur avhenger strukturen til materialet: for naturlige materialer - av deres opprinnelse og dannelsesbetingelser, for kunstige - av teknologien for produksjon og prosessering av materialet. Derfor, når du studerer et kurs i byggematerialer, må en byggherre først og fremst forstå denne sammenhengen. Samtidig bør teknologi og prosessering av materialer vurderes ut fra deres innflytelse på strukturen og egenskapene til det resulterende materialet.

Byggematerialer er preget av kjemiske, mineralske og fasesammensetninger.

Avhengig av den kjemiske sammensetningen er alle byggematerialer delt inn i: organisk (tre, bitumen, plast, etc.), mineral (betong, sement, murstein, naturstein, etc.) og metaller (stål, støpejern, aluminium). Hver av disse gruppene har sine egne egenskaper. Dermed er alle organiske materialer brennbare, og mineralske materialer er brannbestandige; metaller leder strøm og varme godt. Den kjemiske sammensetningen lar oss bedømme andre tekniske egenskaper (biostabilitet, holdbarhet, etc.). Den kjemiske sammensetningen av noen materialer (uorganiske bindemidler, steinmaterialer) uttrykkes ofte ved antall oksider de inneholder.

Oksider kjemisk bundet til hverandre danner mineraler som kjennetegner materialets mineralsammensetning. Når man kjenner til mineralene og deres mengde i materialet, kan man bedømme egenskapene til materialet. For eksempel skyldes uorganiske bindemidlers evne til å herde og opprettholde styrke i et vannholdig miljø på grunn av tilstedeværelsen av silikatmineraler, aluminater og kalsiumferritter i dem, og med en stor mengde av dem akselereres herdeprosessen og styrken av sementsteinen øker.

Når man karakteriserer fasesammensetningen til et materiale, skilles følgende: faste stoffer som danner porevegger ("rammeverket" av materialet), og porer fylt med luft og vann. Fasesammensetningen til materialet og faseovergangene til vann i porene påvirker alle egenskapene og oppførselen til materialet under drift.

Ikke mindre innflytelse på egenskapene til et materiale utøves av dets makro- og mikrostruktur og den indre strukturen til stoffene som utgjør materialet på molekylær-ion-nivå.

Makrostrukturen til et materiale er en struktur som er synlig for det blotte øye eller med svak forstørrelse. Mikrostrukturen til et materiale er strukturen som er synlig under et mikroskop. Den indre strukturen til planten studeres ved hjelp av røntgendiffraksjonsanalyse, elektronmikroskopi, etc.

På mange måter bestemmer materialets egenskaper antall, størrelse og beskaffenhet av porene. For eksempel er porøst glass (skumglass), i motsetning til vanlig glass, ugjennomsiktig og veldig lett.

Formen og størrelsen på de faste partiklene påvirker også egenskapene til materialet. Så hvis du trekker tynne fibre fra en smelte av vanlig glass, får du lett og myk glassull.

Avhengig av formen og størrelsen på partiklene og deres struktur, kan makrostrukturen til faste byggematerialer være granulær (løskornet eller konglomerat), cellulær (finporøs), fibrøs og lagdelt.

Løskornede materialer består av individuelle korn som ikke er forbundet med hverandre (sand, grus, pulveriserte materialer for mastikkisolering og omfylling osv.).

Konglomeratstrukturen, når kornene er fast forbundet med hverandre, er karakteristisk for ulike typer betong, enkelte typer naturlige og keramiske materialer osv.

Den cellulære (finporøse) strukturen er preget av tilstedeværelsen av makro- og mikroporer, karakteristisk for gass- og skumbetong, cellulær plast og noen keramiske materialer.

Fibrøse og lagdelte materialer, hvor fibrene (lagene) er plassert parallelt med hverandre, har forskjellige egenskaper langs og på tvers av fibrene (lagene). Dette fenomenet kalles anisotropi, og materialer med slike egenskaper er anisotrope. Den fibrøse strukturen er iboende i tre- og mineralullprodukter, og den lagdelte strukturen er iboende i rull-, ark- og platematerialer med lagdelt fyllstoff (papirplast, tekstolitt, etc.).

PRESENTASJON

disiplin: Prosesser for å skaffe nanopartikler og nanomaterialer

om emnet: "Fremstilling av nanomaterialer ved bruk av fastfasetransformasjoner"

Fullført:

Student gr. 4301-11

Mukhmitova A.A.

Kazan, 2014

	INTRODUKSJON
1.
	1.1.	METODE FOR ELEKTROLYTISK AVSETTING AV AMORFE FILMER FRA ELEKTROLYTTLØSNINGER
	1.2.	AMORFISERING AV KRYSTALLSTATEN VED INTRODUKSJON AV ET STORT ANTALL DEFEKTER I KRYSTALER
	1.3.	INTENSIV PLASTISK DEFORMASJON
	1.4.	SLUKKING AV DEN VÆSENDE TILSTAND
2.	FORDELER OG ULEMPER MED METODEN FOR Å FÅ NANOMATERIALER VED BRUK AV FASTFASE TRANSFORMASJONER
	KONKLUSJON
	LISTE OVER BRUKTE REFERANSER

INTRODUKSJON

Nylig er det utviklet en rekke metoder for produksjon av nanomaterialer der dispergering utføres i et fast stoff uten å endre aggregeringstilstanden.

Kontrollert krystallisering fra amorf tilstand er en av metodene for å produsere bulk nanomaterialer. Metoden består i å oppnå et amorft materiale, for eksempel ved bråkjøling fra flytende tilstand, og deretter krystallisere det under kontrollerte oppvarmingsforhold.

Amorfe er metaller som er i fast tilstand, der arrangementet av atomer ikke har lang rekkefølge, karakteristisk for metaller i vanlig tilstand, dvs. krystallinsk tilstand. For å karakterisere metaller i denne tilstanden, brukes også begrepene "metallisk glass" og, mindre vanlig, "ikke-krystallinske metaller". Den amorfe tilstanden er det begrensende tilfellet av termodynamisk ustabilitet i solide metallsystemer, i motsetning til den termodynamiske tilstanden til en defektfri krystall.

I tusenvis av år har menneskeheten brukt faste metaller utelukkende i krystallinsk tilstand. Først på slutten av 30-tallet av det 20. århundre dukket det opp forsøk på å oppnå ikke-krystallinske metallbelegg i form av tynne filmer ved bruk av vakuumavsetning. I 1950 ble en amorf film av Ni–P-legeringen oppnådd ved elektroavsetning fra løsninger. Slike filmer ble brukt som harde, slitesterke og korrosjonsbestandige belegg.

Situasjonen endret seg betydelig da det i 1960 ble oppdaget en metode for å produsere amorfe metallegeringer ved å herde flytende tilstand, og i 1968 ble det oppdaget en metode for å herde smelten på overflaten av en roterende skive for å produsere et amorft bånd av stor lengde (hundrevis av meter). Dette åpnet muligheten for storskala produksjon av amorfe metaller til relativt lave kostnader og førte til en eksplosiv vekst i forskningen innen amorfe legeringer.

I dag produseres omtrent 80 % av industrielle amorfe legeringer for deres unike magnetiske egenskaper. De brukes som myke magnetiske materialer som kombinerer isotropiske egenskaper, høy magnetisk permeabilitet, høy metningsinduksjon og lav tvangskraft. De brukes til produksjon av magnetiske skjermer, magnetiske filtre og separatorer, sensorer, opptakshoder, etc. Transformatorkjerner laget av amorfe legeringer er preget av svært lave magnetiseringsreverseringstap på grunn av en smal hysteresesløyfe, samt høy elektrisk motstand og liten tykkelse på det amorfe båndet, noe som reduserer tap forbundet med virvelstrømmer.

Nylig, omtrent siden midten av 90-tallet av det tjuende århundre, har interessen for de strukturelle elementene til forskjellige materialer, inkludert metaller, med en nanoskala (1...100 nm) økt betydelig. Med slike størrelser av strukturformasjoner, spesielt krystaller, øker andelen overflatepartikler som har en annen interaksjon enn de som befinner seg inne i partikkelvolumene betydelig. Som et resultat kan egenskapene til materialer dannet av slike partikler avvike betydelig fra egenskapene til materialer med samme sammensetning, men med større størrelser av strukturelle enheter. For å karakterisere slike materialer og metoder for deres produksjon, har spesielle begreper nanomaterialer, nanoteknologi og nanoindustri dukket opp og er mye brukt.

I moderne forståelse er nanomaterialer en type produkt i form av materialer som inneholder strukturelle elementer av nanometerdimensjoner, hvis tilstedeværelse gir en betydelig forbedring eller fremveksten av kvalitativt nye mekaniske, kjemiske, fysiske, biologiske og andre egenskaper bestemt av manifestasjon av nanoskalafaktorer. Og nanoteknologi er et sett med metoder og teknikker som brukes i studiet, design, produksjon og bruk av strukturer, enheter og systemer, inkludert målrettet kontroll og modifikasjon av formen, størrelsen, integrasjonen og interaksjonen av deres konstituerende nanoskala (1...100 nm) elementer for å oppnå gjenstander med nye kjemiske, fysiske, biologiske egenskaper. Følgelig er nanoindustrien produksjon av nanomaterialer som implementerer nanoteknologi. Når det brukes på metaller, refererer begrepet "nanokrystallinsk" vanligvis til metaller hvis krystallstørrelser faller innenfor nanometerområdet ovenfor.

Utviklingen av nanomaterialer, nanoteknologi og bruk av objekter med kontrollerte strukturer i nanostørrelse har blitt mulig i stor grad på grunn av inntoget av forskningsinstrumenter og direkte metoder for å studere objekter på atomnivå. For eksempel tillater moderne transmisjonselektronmikroskop med en forstørrelse på omtrent 1,5x10 6 visuell observasjon av atomstruktur.

Det er forskjellige måter å skaffe nanostrukturerte materialer, inkludert metaller. For eksempel kan en nanostruktur oppnås i et bulkmetallarbeidsstykke ved å male vanlige krystaller til nanostørrelser. Dette kan oppnås, spesielt ved intens plastisk deformasjon. Metoder for strukturforfining ved deformasjon tillater imidlertid ikke produksjon av nanokrystallinske metaller i industriell skala og tilhører ikke tradisjonelle metallurgiske teknologier.

Samtidig kan en nanokrystallinsk, så vel som en amorf, metallstruktur oppnås ved tradisjonelle metallurgiske metoder, spesielt ved rask avkjøling av smelten. Avhengig av bråkjølingsforholdene til den flytende tilstanden, er tre alternativer for dannelsen av strukturen mulige:

· nanokrystallisering direkte under smelteavkjølingsprosessen (det begrensende tilfellet med konvensjonell akselerert krystallisering, som fører til dannelsen av ikke bare en finkornet, men en nanostruktur);

· i prosessen med smelteavkjøling oppstår delvis krystallisering, slik at en kompositt amorf-krystallinsk struktur dannes;

· under bråkjøling dannes en amorf struktur, og en nanokrystallinsk struktur dannes under etterfølgende gløding.

Nanokrystallinske, så vel som amorfe, metaller oppnådd ved flytende herding brukes også primært som magnetiske og elektriske materialer med unike egenskaper. De brukes som myke og harde magnetiske materialer, ledere, halvledere, dielektriske, etc.

Spesielt har myke magnetiske legeringer av Finemet-typen funnet utbredt bruk. Dette er nanokrystallinske legeringer av Fe–Si–B-systemet med tilsetninger av Cu og Nb eller andre ildfaste metaller. Legeringer oppnås ved delvis krystallisering av den amorfe tilstanden. Strukturen deres består av ferromagnetiske krystallitter med en størrelse på 10...30 nm, fordelt i en amorf matrise, som utgjør fra 20 til 40 % av volumet. Finemet-legeringer har en svært lav tvangskraft, høy magnetisk permeabilitet og magnetisering, og lave magnetiseringstap, og overgår i sine egenskaper andre myke magnetiske legeringer, inkludert amorfe legeringer.

Magnetisk harde nanokrystallinske legeringer av Fe–Nd–B og Fe–Sm–N-systemene er også mye brukt. Siden mange magnetiske materialer (Fe–Si, Fe–Nd–B) er sprø, vil reduksjon av kornstørrelsen ikke bare forbedre deres magnetiske egenskaper, men også øke duktiliteten.

METODER FOR PRODUKSJON AV AMORFE METALLER

Produksjonen av amorfe metaller er mulig ved å knuse det opprinnelige krystallinske legemet for å oppnå en amorf struktur («top-down»-banen). Banen innebærer forstyrrelse av det vanlige arrangementet av atomer i et krystallinsk legeme som et resultat av ytre påvirkninger på krystallen og transformasjon av et fast krystallinsk legeme til et amorft fast stoff.

Til dags dato er det kjent flere tekniske metoder for å implementere disse banene (fig. 1). Siden et amorft metall, fra et termodynamisk synspunkt, er et ekstremt ikke-likevektssystem med stort overskuddsenergi, krever produksjonen, i motsetning til produksjonen av et krystallinsk metall, ikke-likevektsprosesser. I denne figuren er likevektsprosessene for fasetransformasjoner av metallet representert av solide piler, og ikke-likevektsprosessene for å oppnå et amorft metall er representert med stiplede piler.

Figur 1. Metoder for å oppnå likevekts- og ikke-likevektstilstander for metaller

Som følger av diagrammet ovenfor, kan et termodynamisk ikke-likevekts amorft (og nanokrystallinsk) metall oppnås fra enhver likevektsfase:

· kondens fra gassfasen. Med noen forbehold kan metoder for elektrolytisk avsetning av amorfe filmer fra elektrolyttløsninger også inkluderes i denne gruppen;

· amorfisering av den krystallinske tilstanden ved å introdusere et stort antall defekter i krystallene;

· herding av flytende tilstand fra en metallsmelte.

De to første metodene for å produsere amorfe metaller - fra gassfasen og krystallinske metaller - dukket opp i første halvdel av forrige århundre og har vært brukt i relativt lang tid, men de forholder seg ikke til metallurgiske teknologier.