Аморфні метали (стр. 2 из 5)

2) Конденсація парів, або напилювання атомів на холодну підложку з утворенням тонких плівок аморфного металу;

3) Електрохімічне осадження;

4) Опромінення кристалічних металів інтенсивними потоками іонів або нейтронів.

Аморфні метали – це метастабільні системи, які термодинамічно нестійкі відносно процесу кристалізації. Їхнє існування обумовлене тільки сповільненістю кінетичних процесів при низьких температурах. Стабілізації аморфних металів сприяє присутність так званих аморфізуючих домішок. Так, аморфні плівки з чистих металів значно менше стабільні, ніж плівки зі сплавів. Для одержання металевого скла з чистих металів потрібні дуже великі швидкості охолодження (~ 10¹⁰ К/с) [3]

Багато металевого скла має унікальні механічні, магнітні і хімічні властивості. Границі текучості і міцності для ряду металевого скла дуже високі і близькі до так званих теоретичних меж. У той же час металеве скло має високу пластичність, що різко відрізняє їх них від діелектричного і напівпровідникового скла. Велика кількість металевого скла при високій механічній міцності характеризуються великою початковою магнітною сприйнятливістю, малими значеннями коерцитивних сил та практично повною відсутністю магнітного гістерезису. Корозійна стійкість деякого металевого скла на декілька порядків вище, ніж у багатьох кращих нержавіючих сталей. Серед інших унікальних особливостей металевого скла – слабке поглинання звуку та каталітичні властивості.

Основні особливості металевого скла, очевидно, пов'язані з їх високою мікроскопічною однорідністю, тобто відсутністю дефектів структури типу межзерених границь, дислокацій та т.д. Детальна теорія, що пояснює властивості і явища в металевому склі, не розвинена і досі.

2.2 Протікання процесу аморфізації

При плавленні металу або сплаву кристалічна решітка руйнується і в рідині атоми коливаються навколо позицій, які постійно і швидко взаємно перерозподіляються. При плавленні рідка і тверда фази знаходяться в рівновазі, ентальпія і ентропія зазнають стрибкоподібну зміну. При температурах вище за точку кристалізації рідка фаза знаходиться в стані внутрішньої рівноваги і нездібна чинити опір зсувній напрузі. Металевим розплавам характерна в'язка текучість, тоді як розплави силікатів, боратів і ін. подібних речовин володіють дуже низькою текучістю, тобто мають високу в'язкість.

При охолоджуванні, перш ніж почнуться процеси кристалізації, рідка фаза повинна переохолоджуватися нижче за рівноважну температуру кристалізації, для подолання енергетичного бар'єру потрібного для створення кристалічного зародка. Ступінь переохолодження розплаву залежить від ряду чинників, включаючи первинну в'язкість розплаву, швидкість її зростання при зниженні температури; температурну залежність різниці вільних енергій рідкої і кристалічної фаз; щільність і ефективність центрів гетерогенного зародкоутворення; швидкість охолоджування.

При видаленні з розплаву центрів гетерогенного зародження (домішок), швидкість росту кристалів залишається дуже високою, і у разі малої швидкості відведення тепла в навколишнє середовище відбувається швидке заповнення об'єму кристалічною фазою. Якщо ж розплав охолодити швидко (забезпечивши ефективний тепловідвід) впливу джерел гетерогенного зародження кристалів важко, а у разі ще більшого збільшення швидкості охолоджування переохолодження ще більше зростає і швидкість до кристалізації знижується. Т.ч., істотно скорочується температурний інтервал в якому протікає процес кристалізації, що викликає зміну структури, що формується при охолоджуванні. Спочатку відбувається подрібнення мікрокристалічної структури, а потім, залежно від складу сплаву, відбувається розширення розчинності в твердому розчині і утворюються метастабільні кристалічні фази. І якщо швидкість охолоджування дуже висока, кристалізація пригнічується і відбувається уповільнення не тільки процесів зростання кристалів, але і їх зародження. В'язкість при охолоджуванні розплавів безперервно зростає.

Не дивлячись на те, що рушійні сили кристалізації постійно збільшуються, вони проте компенсуються рухливістю атомів, що швидко знижується, яка домінує при дуже великих значеннях переохолодження. В результаті атомна конфігурація набуває нерівноважного характеру і при так званій температурі оскляння Tg виявляється гомогенно замороженою. Замерзання аморфної структури, як правило, відбувається при в'язкості рівною 012 Пачс.[3]

На практиці одному сплаву може відповідати декілька аморфних структур, оскільки температура і структура, при яких відбувається відхилення від стану рівноваги, залежать від швидкості охолоджування. Тобто значення Tgі аморфна структура залежать від швидкості охолоджування. Зміна швидкості охолоджування приводить до того, що на стадії релаксації при подальшому нагріві сплав матиме різний характер поведінки. Аналіз дифракційних картин показує, що атомна структура аморфного сплаву вельми близько відтворює статичну структуру рівноважної рідини поблизу точки замерзання.Т.ч. процес аморфізації рідкої фази полягає в придушенні зародження кристалів при охолоджуванні, або, як ще говорять, в запобіганні утворенню частини кристалічної фази, що експериментально виявляється. Схильність до утворення аморфної фази визначається кінетикою процесу зародження або кінетикою ранніх стадій зростання кристалів.

2.3Механізми кристалізації аморфних сплавів

Температура кристалізації аморфних металів та сплавів не є постійною величиною як, наприклад, температура плавлення. Температура кристалізації аморфних металів залежить від швидкості їх нагрівання. Тому для дослідження процесу кристалізації використовують два методи: ізотермічний, та при постійній швидкості нагрівання. Процес кристалізації аморфних металів – це зародковий процес, тому швидкість процесу кристалізації залежить від швидкості утворення кристалічних центрів (зародків кристалізації) та від швидкості їх росту. Для протікання кристалізації необхідно, щоб молекули почали розташовуватися у визначеному порядку. Для цього процесу рухливість часток повинна бути вища за певне значення, а це можливе тільки при певному співвідношенні між енергією молекул, та енергією їх взаємодії. При температурах нижчих за певне значення енергії теплового руху стає недостатньо для забезпечення взаємного руху молекул, та кристалізація припиняється. Імовірність кристалізації з’являється тільки тоді, коли температура підвищується до значення

. [4]

Механізми кристалізації поділяють на чотири типи: поліморфна, первинна, евтектична та кристалізація з розшаруванням.

Поліморфна кристалізація – це кристалізація, при якій аморфний сплав без усякої зміни концентрації переходить у пересичений твердий розчин, метастабільний чи стабільний кристалічний стан.

Первинна кристалізація – це кристалізація при якій відбувається кристалізація фази, хімічний склад якої відрізняється від складу аморфної фази.

Евтектична кристалізація – це кристалізація при якій проходить виділення двох чи більше кристалічних фаз.

Кристалізація з розшаруванням – це кристалізація при якій спостерігається поділ на різні аморфні фази, кожна з яких кристалізується окремо.

Взагалі процес кристалізації аморфного сплаву дуже залежить від технології, та способу його виробництва.

2.4 Методи отримання аморфних і наноструктурних матеріалів

Сфера практичного застосування матеріалів, що постійно розширюється, з нерівноважними кристалічними, і аморфними структурами, що володіють цінним комплексом поєднанням властивостей, стимулює розробку нових методів виробництва і дослідження фізичних основ вже існуючих методик. Остання обставина грає важливу роль, оскільки структурно-залежні властивостіі, термічна стійкість нерівноважних матеріалів істотно залежать від умов їхотримання (тобто від їх передісторії).

В даний час відомо декілька десятків методів отримання матеріалів знерівноважною структурою, які залежно від початкового стану матеріалувключають термічне і іонно-плазмове розпилювання, хімічне і електрохімічнео садження, гарт з рідкого стану і механічне легування (механо-активований синтез).[4]

ІІІ. МЕТОДИ ОДЕРЖАННЯ АМОРФНИХ МЕТАЛІВ

3.1 Методи розпилювання

Методи розпилювання, що застосовуються для швидкого загартування з розплаву, розрізняються по механізму розпилювання і за способом охолоджування крапель, що утворюються. Дроблення струменя розплаву здійснюється зазвичай при зіткненні її із струменем газу або рідини, або при її обертанні. Розмір частинок, що отримуються цими методами, лежить в діапазоні від декількох міліметрів до субмікронних величин, залежно від металу, що розпилюється, і параметрів процесу. Краплі розплаву можуть охолоджуватися в процесі природного випромінювання при вільному польоті або в результаті теплообміну з газовим середовищем, або можуть бути загартовані в рідкому середовищі або на охолоджуваній поверхні.

Швидкість гарту зростає із зменшенням характерного розміру гартованих крапель і збільшенням коефіцієнта тепловіддачі (який має низьке значення при охолоджуванні випромінюванням і максимальний при хорошому контакті з охолоджуючою поверхнею).

Ці методи дуже корисні для дослідження аморфного стану матеріалів, оскільки вони дозволяють отримувати дуже високі швидкості охолоджування (>108 К/с), і дають можливість отримувати матеріал істотно великим, в порівнянні з рівноважними фазами надлишком вільної енергії. Цими методами можна отримати аморфні структури складів, не аморфізующихся при гарті з рідини.