Аморфные металлы

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Образцы аморфного металла в лаборатории

Аморфные металлы ("металлические стёкла") — группа металлов и металлических сплавов, приобретших в определённых условиях аморфное состояние, и образующих особую фазу.[1][2]

Введение[править]

Аморфный металл en:Metal — металлический материал с беспорядочной структурой на атомном уровне. В отличие от большинства металлов, аморфные металлы имеют структуру с высокой степенью хаотичности, беспорядочности распределения атомов. Материалы, в которых такая беспорядочная структура произведена непосредственно в среде материала в фазе жидкого состояния в течение охлаждения, называют «стёклами», и, таким образом, аморфные металлы обычно упоминаются как «металлические стёкла». Есть несколько путей помимо чрезвычайно быстрого охлаждения, в котором аморфные металлы могут быть получены, - применение физического смещения пара, твердофазные реакции, ионное напыление, при вращении, и механическом получении сплава. Аморфные металлы, произведенные этими методами, строго говоря, не стёкла. Однако, учёные материаловеды обычно полагают, что аморфные сплавы будут единственным классом материалов, независимо от того, как они получены.

В прошлом небольшие партии аморфных металлов были произведены через разнообразие быстро охлаждающих методов. Например, аморфные металлические провода были произведены, вибрируя литой металл на вращающемся металлическом диске. Быстрое охлаждение, с миллионными долями секунды, является очень быстрым для кристаллов, чтобы датьему возможность сформироваться, и материал как бы «заперт» в гладком пространстве. Толщина слоя множества сплавов с критическими нормами охлаждения достаточно низка, для формирования аморфной структуры в толстых слоях (это более чем 1 миллиметр), что и было произведено; такие структуры известны как оптовые металлические стёкла (BMG). «Ликуидметал» продает множество материалов BMGs на основе титана, полученных в результате исследований, первоначально выполненных в «Caltech». Позже, партии аморфной стали были произведены, которые демонстрирует высокую стойкость разрушения при нагрузках, намного большую, чем обычные стальные сплавы.

История[править]

Первое металлическое стекло, о котором сообщают, было сплавом (Au75Сицзян25), произведенный в Caltech W. (Младший) Клемент., Willens и Duwez в 1960 [3]. Это и другие ранние формирующие стекло сплавы должны были быть охлаждены чрезвычайно быстро (в опыте со скоростью охлаждения = одному мегаКелвину в секунду, 106 K/s), чтобы избежать кристаллизации. Важное последствие этого было то, что металлические стёкла могли только быть произведены в ограниченном числе форм (типично ленты, фольга, или провода), в которых одно измерение было настолько маленьким, при котором инградиент падения высокой температуры мог быть достаточно высоким (должно быть очень быстрое падение температуры), чтобы достигнуть необходимой нормы охлаждения. В результате металлические стеклянные экземпляры (за некоторыми исключениями) были ограничены толщинами, меньше чем, 100 мкм (микрометры).

В 1969, сплав палладия = 77.5 %, 6%-ой меди, и кремния = 16.5 %, как получено, имел критическую норму охлаждения между 100 - 1000 K/s.

В 1976, H. Liebermann и C. Грэм развивал новый метод производства тонких лент аморфного металла на переохлажденной быстрой прялке.[4] Это было сплавом железа, никель, фосфора и бора. Материал, известный как Metglas, был коммерциализирован в начале 1980-ых и использовался для трансформаторов распределения власти(мощности)низкой потери (Аморфный металлический трансформатор). Metglas-2605 составлен из 80%-ого железного и 20%-ого бора, имеет температуру Кюри 373 °C и намагничивания насыщенности при комнантной температуре = 1.56 тесл. (теслы)[5]

В начале 1980-ых, гладкие слитки с диаметром в 5 мм были произведены от сплава 55%-ого палладия, лидерства = 22.5 %, и сурьмы = 22.5 %, при гравъюровке поверхности, сопровождаемой с охлаждающими и нагревательными циклами. Используя поток окиси бора, при котором достижимая толщина была увеличена в 1см..

Исследование в Университете Tohoku и Caltech привело к многокомпонентным сплавам, основанным на лантане, магнии, цирконии, палладии, железе, меди, и титане, с критической нормой охлаждения между 1 K/s к 100 K/s, сопоставимым окисным стёклам.

В 1988, сплавы лантана, алюминия, и медной руды, достаточно эффективно формируют стекло (это произведено).

В 1990-ых, однако, новые сплавы были развиты так, что стёкла, получаемые по охлаждающимся нормам сведены до низкого уровня как приблизительно Келвин в секунду. Эти нормы охлаждения могут быть достигнуты простым образованием на металлических изделиях. Эти "оптовые" аморфные сплавы могут быть образованы в части до нескольких сантиметров по толщине (максимальная толщина в зависимости от сплава), сохраняя аморфную структуру. Лучшие формирующие стекло сплавы основаны на цирконии и палладии, но на базе сплавов, основанных на железе, титан, медь, магний, и других металлов, которые также известны. Много аморфных сплавов сформированы, эксплуатируя явление, названное эффектом "беспорядка". Такие сплавы содержат очень много различных элементов (часто дюжина или больше), что после охлаждения по достаточно быстрым скоросным нормам, учредительные атомы просто не могут скоординировать себя в равновесие прежде, чем их подвижность остановлена. Таким образом, случайное беспорядочное государство атомов "заперто".

В 1992, первый коммерческий аморфный сплав, Vitreloy 1 (Цирконий на 41.2 %, Ti на 13.8 %, медь на 12.5 %, 10%-ый Никель, и 22.5 %, Быть), был развит в Caltech, как часть исследования Министерства энергетики и НАСА новых космических материалов, где было больше вариантов.

В 2004, две группы преуспели в том, что произвели оптовую аморфную сталь, один в Ок-Ридже Национальная Лаборатория, другой в Университете Вирджинии. Группа Ок-Риджа именует их продукт как "гладкая сталь". Продукт антимагнитен в температуре комнаты и значительно более силен чем обычная сталь, хотя длинный научно-исследовательский процесс остается перед введением материала в общественное или военное использование. {магнитный} [6],[7]

Образования аморфной структуры у металлов[править]

Макроструктура зерна в слитках и большинство скачков имеет три отличающиеся области или зоны: холодная зона, колоночная зона, и зона equiaxed

Наиболее распространённым методом получения аморфных металлов является быстрое охлаждение. При медленной кристаллизации атомы вещества имеют время на то, чтобы занять термодинамически наиболее выгодное положение. Если же вещество охлаждать очень быстро, атомы вынуждены оставаться на месте, формируя аморфное (стеклообразное) состояние.

Металлические стёкла получают при скорости охлаждения на 105 К/с (и до миллионов градусов в секунду). Для этого используют вакуум и криогенные температуры; пары металла наносят на переохлажденную металлическую пластинку в специальной камере, при условии высокой скорости охлаждения на ней образуется тонкий слой аморфного металла.

Свойства[править]

Аморфный металл — обычно сплав, а не чистый металл. Сплавы содержат атомы обычно различных размеров, находящиеся с небольшим количеством в свободном объеме (и поэтому на целые порядки отличаются более высокой вязкостью, чем другие металлы и сплавы) в слитках. Вязкость предотвращает атомы, чтобы сформировать заказанную решетку, т.к. они сильно перемещаются. Материальная структура также приводит к низкому сжатию в течение охлаждения, и к сопротивлению пластмассовой деформации. Отсутствие границ зерна, слабые пятна прозрачных материалов, приводит к лучшей прочности и коррозии. Аморфные металлы, в то же время как технически стёкла, являются также намного более жёсткими и менее ломкими, чем окисные стёкла и керамика. (Очень износостойкие материалы).

Тепловая проводимость аморфных материалов ниже, чем у кристаллов. Поскольку формирование аморфной структуры полагается на быстрое охлаждение, что ограничивает максимальную достижимую толщину аморфных структур.

Чтобы достигать формирования аморфной структуры даже в течение более медленного охлаждения, сплав должен быть сделан из трех или больше компонентов, приводя к сложным кристаллическим единицам с более высокой потенциальной энергией и более низким шансом на формирование. Атомный радиус компонентов должен быть значительно отличным (более, чем 12 %), достигать высоко упаковочной плотности и низко освобождать объем. Комбинация компонентов должна иметь отрицательную высокую температуру смешивания, запрещая кристаллическое образование ядра и продлевает время металлическое литья в пребывании его в переохлажденном состоянии.

Сплавы бора, кремний, фосфор, и другого стекла при формировании с магнитными металлами (железо, кобальт, никель), являются магнитными, с низкой коэрцитивностью и с высоко электрическим сопротивлением. Высокое сопротивление приводит к низким потерям потокам завихрения, когда металл подвергнут переменным магнитным полям; такая характеристика полезная, например, при трансформации магнитного ядра.

Аморфные сплавы имеют разнообразие потенциально полезных свойств. В частности они имеют тенденцию быть более сильными чем прозрачные сплавы подобного химического состава, и они могут выдержать больший обратимый ("упругий") деформации чем прозрачные сплавы. Аморфные металлы получают их силу непосредственно из их непрозрачной структуры, которая не имеет ни одного из дефектов (, типа дислокаций), которые ограничивают силу прозрачных сплавов. Один современный аморфный металл, известный как Vitreloy, имеет предел прочности, который имеет почти удвоенный предел прочности по отношению к высокосортному титану. Однако, металлические сплавы при комнатной темрературе не податливы, но имеют тенденцию терпеть неудачу внезапно, когда погружаются в состояние напряженности, которая ограничивает их применение в ответсвенных по стойкости случаях, поскольку появившийся отказ не очевиден. Поэтому, есть значительный интерес в создании металлических матричных сложных материалов, состоящих из металлической стеклянной матрицы, содержащей древовидные частицы или волокна податливого прозрачного металла.

Возможно самая полезная собственность оптовых аморфных сплавов состоит в том, что они являются истинными элементами, когда необходимо, чтобы они смягчались после нагревания. Это предполагает легкую обработку, типа лепным украшением инъекции, почти таким же способом как полимеры. В результате аморфные сплавы были коммерциализированы для использования в спортивном оборудовании, медицинских устройствах, и как случаи для электронного оборудования.

Тонкие плёнки аморфных металлов могут быть депонированы в качестве покрытий, где имеется высокая скоростная техника использования горелок на кислородном топливе как защитные покрытия.

Аморфные пленки из чистых металлов значительно менее стабильны, чем пленки из сплавов, а для получения металлических стекол из аморфных металлов требуются очень большие скорости охлаждения (~1010 К/с) и наличие нескольких компонентов, что сейчас находит широкое применение.

Применение[править]

Аморфные металлы (металлические стёкла) показывают уникальное поведение смягчения выше их стеклянного перехода, и это смягчение все более и более исследовалось для термопластического формирования из металлических стекол.

Показано, что металлические стёкла могут быть скопированы в чрезвычайно маленьких размеров длин — в пределах от 10 нм к нескольким миллиметрам[8]. Предложено, что это может решить проблемы nanoimprint литографии, где дорогие nano-материалы сделалны из кремниевого материала легко. Nano-материалы, сделанные из металлических сплавов легки в изготовлении и более долговечны, чем кремниевые материалы.

В области медицины[править]

Рентген ближайшей часть сломанной голени с внутримедуллярным гвоздем

Ti40Медь36Фунт14Цирконий10 как полагают, является менее канцерогенным, приблизительно в 3 раза, чем титан, и его упругий модуль почти соответствует костям. Это имеет высокую износостойкость и не производит порошок при трении. Сплав не подвергается сжатию при отвердевании. Поверхностная структура может быть произведена такой, что является биологически присоединяемой поверхностной модификацией, используя лазерный импульс, позволяя лучше соединяться с костью.[9]

Мг60Цинк35Приблизительно5, быстро охлажденный, чтобы достигнуть аморфной структуры, исследуется как биоматериал для внедрения в кости как винты, булавки, или пластины, устанавливать переломы. В отличие от традиционной стали или титана, этот материал распадается в организмах по норме примерно 1 миллиметра в месяц и заменяется тканью кости. Эта скорость может быть приспособлена, изменяя содержание цинка.[10]

В точной механике и метрологии[править]

Рис.1,Инструментальный микроскоп

Как правило в точной механике и метрологии главными показателями измерительных средств (лабораторных) является точность формы и износостойкость, от которых зависит вообще научная деятельность, получение новых средств, научных результатов во всех областях физики, механики и т. д. Особенно важно это в работе измерительных лабораторий, которые занимаются вопросами единства мер и стандартов измерительной техники. Достаточно увеличить износостойкость эталонных мер на любое количество процентов, поднять стойкость инструмента при работе, эффективность работы увеличивается на порядки. Ведь многие результаты при исследованиях оцениваются уже не микронами, а переходят на нанометры и точнее. Разрешающая способность современных лабораторных микроскопов равна 1-10 нм, откуда для получения таких инструментов к средствам аттестации этих измерительных устройств предъявляются требования к их точности на порядок выше (~10%). И используя новые аморфные сплавы на базе титана (Ti40) с возможностью получения покрытий на изнашивающихся поверхностях измерительных средств размерами, порядка в нанометрах и меньше (на атомно-молекулярном уровне), их износостойкость повышается в несколько раз.

Если взять инструментальное производство, или вообще машиностроение, то не трудно представить, какой эффект получают и можно получить, когда выпускаемые изделия повышают свою долговечность и ресурс работы в несколько раз.

Смотри также[править]

Примечания[править]

  1. Klement, W.; Willens, R. H.; Duwez, POL (1960). "Non-crystalline Structure in Solidified Gold-Silicon Alloys". Nature 187: 869–870. doi:10.1038/187869b0.
  2. The IUPAC Compendium of Chemical Terminology, 66, 583 (1997).
  3. Klement, W.; Willens, R. H.; Duwez, POL (1960). "Non-crystalline Structure in Solidified Gold-Silicon Alloys". Nature 187: 869–870. doi:10.1038/187869b0.
  4. Libermann H. and Graham C. (1976). "Production Of Amorphous Alloy Ribbons And Effects Of Apparatus Parameters On Ribbon Dimensions". IEEE Transactions on Magnetics 12 (6): 921. doi:10.1109/TMAG.1976.1059201
  5. Roya, R and A.K. Majumdara (1981). "Thermomagnetic and transport properties of metglas 2605 SC and 2605". Journal of Magnetism and Magnetic Materials 25: 83–89. doi:10.1016/0304-8853(81)90150-5.
  6. Glassy Steel". ORNL Review 38 (1). 2005. http://www.ornl.gov/info/ornlreview/v38_1_05/article17.shtml.
  7. V. Ponnambalam, S. Joseph Poon and Gary J. Shiflet (2004). "Fe-based bulk metallic glasses with diameter thickness larger than one centimeter". Journal of Materials Research 19 (5): 1320. doi:10.1557/JMR.2004.0176
  8. Golden Kumar, Hong Tang, and Jan Schroers (Feb 2009). "Nanomoulding with amorphous metals". Nature 457 (7231): 868–72. doi:10.1038/nature07718. PMID 19212407.
  9. Masaaki Maruyama (Jun 11, 2009). "Japanese Universities Develop Ti-based Metallic Glass for Artificial Finger Joint". Tech-on. http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20090610/171551/?P=1.
  10. "Fixing bones with dissolvable glass". PhysicsWorld. Oct 1, 2009. http://physicsworld.com/cws/article/news/40573.