Амо́рфні мета́ли (англ. amorphous metal), склоподі́бдні (склови́дні) мета́ли (англ. glassy metal) або металі́чне скло́ (англ. metallic glass) — клас металевих твердих тіл з аморфною структурою, що характеризується відсутністю далекого порядку й наявністю ближнього порядку у розташуванні атомів. На відміну від металів з кристалічною структурою, аморфні метали характеризуються фазовою однорідністю, їх атомна структура аналогічна до атомної структури переохолоджених розплавів.
Історична довідка
Ще у 1940-х роках було відомо, що металеві плівки, які отримували методом низькотемпературного напилення не мали кристалічної будови. Однак початок вивченню металів, що перебувають в аморфному стані було покладено у 1960 році, коли в Каліфорнійському технологічному інституті групою під керівництвом професора П. Дювеза (англ. Pol Duwez) було отримано металічне скло Au75Si25. Цей та інші аморфні метали були отримані шляхом екстремально швидкого охолодження (швидкість порядку мільйона градусів за секунду). У зв'язку з цим, таким методом можна було виготовляти зразки лише з поперечним розміром порядку декількох мікрон (смуги, фольги, дроти тощо).
Значний науковий інтерес до теми став проявлятись з 1970-х років, спочатку у США і Японії, а у подальшому — в Європі, СРСР та КНР.
У 1990-х роках було відкрито сплави, що набували аморфного стану уже при швидкостях охолодження рівня 1 °C/с. Це зробило можливим виготовлення зразків з розмірами порядку десятків міліметрів.
Перший комерційний аморфний сплав потрапив на ринок у 1992 році під назвою Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni, 22,5% Be). Цей сплав було розроблено у Каліфорнійському технологічному інституті під егідою Міністерства енергетики США та NASA.
Сучасні (з 2010-х) матеріали, які найкраще здатні до утворення аморфних структур базуються на сплавах цирконію з палладієм, але відомо також багато аморфних сплавів заліза, титану, міді, магнію та інших елементів.
Класифікація
Аморфні сплави поділяються на дві основні групи: метал-металоїд і метал-метал.
При аморфуванні методом гартування з рідкого стану можуть бути отримані сплави, що містять наступні елементи:
- до першої групи належать системи метал-металоїд виду T21-YXY, де T2 — Мn, Fe, Co, Ni, Pd, Au або Pt, X — В, С, Si, Ge або Р й Y змінюється зазвичай від 0,15 до 0,25. T і Х можуть бути комбінаціями елементів відповідних груп, що часто підвищує схильність до формування аморфних структур.
- до другої групи належать системи перехідних металів T 11-YT2Y, де Т2 — пізні перехідні метали, такі як Fe, Со, Ni, Rh, Pd, а також Сu; T1 — ранні перехідні метали (групи Sc, Ti, V); Y=0,3…0,65.
Властивості
За деякими властивостями низка аморфних металів значно відрізняється від кристалічних того ж складу. Зокрема, багато з них відрізняються високою міцністю і ударною в'язкістю, корозійною стійкістю, високою магнітною проникністю.
Механічні властивості
Деякі склоподібні сплави відрізняються дуже високою міцністю і твердістю. В аморфних сплавах на основі елементів підгрупи заліза (Fe, Co, Ni) твердість за Віккерсом (HV) може перевищувати 1000 ГН/м2, міцність — 4 ГН/м2. Разом з цим аморфні сплави мають дуже високу в'язкість руйнування: наприклад, енергія руйнування при розтягу Fe80P13C7 становить 110 кДж/м2, тоді як для сталі X-200 значення цього параметра становлять близько 17 кДж/м2.
Електричні властивості
Питомий електричний опір аморфних металів становить, зазвичай, близько 100…300 мкОм•см, що значно перевищує опір кристалічних металів. Крім того, опір металевих сплавів в аморфному стані в певних температурних діапазонах характеризується слабкою залежністю від температури, а іноді навіть зменшується зі зростанням температури. При аналізі особливостей опору аморфних металів виділяють 3 групи:
- простий метал — простий метал
- перехідний метал — металоїд
- перехідний метал — перехідний метал.
Склоподібні метали першої групи відрізняються малим питомим опором (меншим від 100 мкОм·см). Із зростанням температури опір різних матеріалів даної групи може як зростати, так і зменшуватися.
Питомий електричний опір матеріалів групи перехідний метал — металоїд перебуває в діапазоні 100…200 мкОм·см. Температурний коефіцієнт електричного опору із збільшенням температури спочатку додатній, а коли опір досягає ~150 мкОм·см, стає від'ємним. Мінімальне значення опору досягається за температур 10…20 К.
Питомий опір матеріалів групи перехідний метал — перехідний метал перевищує 200 мкОм·см. При цьому із зростанням температури опір зменшується.
Деякі аморфні сплави проявляють властивість надпровідності, зберігаючи при цьому добру пластичність.
Методи отримання
Існує багато способів отримання сплавів в аморфному стані.
Гартування з рідкого стану
Загартування з рідкого стану є основним способом отримання склоподібних металів. Цей метод полягає в надшвидкому охолодженні розплаву, в результаті якого він переходить у твердий стан, уникнувши кристалізації — структура матеріалу залишається практично такою ж, як в рідкому стані. Він включає в себе декілька методів, які дозволяють отримувати аморфні метали у формах порошку, тонкого дроту, тонкої стрічки, пластинок. Також були розроблені сплави з малою критичною швидкістю охолодження, що дозволило створювати об'ємні зразки із сплавів в аморфному стані.
Для отримання пластинок масою до декількох сотень міліграмів, крапля розплаву з великою швидкістю «вистрілюється» (англ. qun techniques) на охолоджувану мідну плиту, швидкість охолодження при цьому досягає 109 °C/с. Для отримання тонких стрічок шириною від десятих до десятків міліметрів розплав видавлюється на обертову охолоджувальну поверхню. Для отримання дроту товщиною від одиниць до сотень мікрон застосовуються різні методи. У першому розплав простягається в трубці через охолоджувальний водний розчин, швидкість охолодження при цьому становить 104 … 105 °C/с. У другому методі струмінь розплаву потрапляє в охолоджувальну рідину, яка знаходиться на внутрішній стороні обертового барабана, де утримується за рахунок відцентрової сили.
Гартування з газового (парового) середовища
При отриманні аморфних структур тугоплавких металів методом гартування з рідкого стану виникає ряд труднощів, пов'язаних з високою температурою плавлення тугоплавких металів та їх високою хімічною активністю. Ці труднощі повністю усуваються при використанні методу загартування з газової фази. До цього методу належать два основних підходи:
- метод іонно-плазмового триелектродного і магнетронного напилення (плазмове розпилення; англ. sputtering);
- метод термічного випаровування.
Метод високошвидкісного іонно-плазмового розпилення дозволяє створювати аморфні структури різного складу товщиною до 10 мм. Більшість схем високошвидкісного іонно-плазмового розпилення базується на триелектродній схемі розпилення при постійному струмі. Електрони, що випромінюються прямо канальним електродом під дією потенціалу, прикладеного джерелом живлення. Іони інертного газу створюються при зіткненнях електронів з атомами інертного газу й утворюють іонізований розряд або плазму. Після встановлення розряду до мішені прикладається негативний потенціал, щоб витягнути іони інертного газу з розряду, які, маючи велику енергію, вдаряють по мішені й викликають її розпилення. Атоми, що розпиляються, покидають мішень. Атоми, які попадають на підкладку, осаджуються на ній. Отримана таким чином плівка є аморфною.
Метод термічного випаровування базується на процесі конденсації термічно випаруваних атомів.
Ефективна швидкість охолодження при загартуванні з газової фази може досягати 1013 °C/с, тоді як при гартуванні з рідкої фази вона становить 106…1010 °C/с. Внаслідок збільшення швидкості загартування значно розширюється діапазон складів сплавів, у яких реалізується аморфний стан.
Інші методи
Метод лазерного глазурування (англ. laser glazing). Аморфну структуру отримують шляхом взаємодії речовини за короткий період часу з лазерним випромінюванням високої щільності енергії. Основна частина енергії лазерного випромінювання витрачається на швидке розплавлення поверхневого шару речовини. Внаслідок короткочасності процесу основна маса матеріалу залишається не нагрітою. Збереження холодної поверхні на межі контакту з тонким шаром розплаву приводить до охолодження із швидкостями 105…108 °C/с. При такому плавленні виникає на поверхні гомогенна рідина, яка після твердіння перетворюється на «скло». Такий процес ще отримав назву «лазерне силування».
Також, для отримання аморфних структур знайшли застосування методи: електролітичного та хімічного осадження, опромінення частками, впливу ударної хвилі, іонної імплантації тощо.
Застосування
Не зважаючи на добрі механічні властивості, склоподібні метали не використовуються для виготовлення відповідальних деталей конструкцій з причин високої вартості й технологічних ускладнень. Перспективним напрямом є застосування корозієстійких аморфних сплавів у різних галузях, де ставляться високі вимоги до корозійної стійкості. В оборонній промисловості при виробництві захисних броньованих загороджень використовуються прошарки з аморфних сплавів на основі алюмінію для гасіння енергії бронебійного снаряду, завдяки високій в'язкості руйнування таких прошарків.
Завдяки своїм магнітним властивостям аморфні метали використовуються при виробництві магнітних екранів, зчитувальних голівок пристроїв запису і зберігання інформації, трансформаторів тощо.
Мала залежність електричного опору деяких аморфних металів від температури дозволяє використовувати їх як еталонні резистори.
Див. також
Примітки
- Klement, W.; Willens, R. H.; Duwez, POL (1960). Non-crystalline Structure in Solidified Gold-Silicon Alloys. Nature. 187 (4740): 869—870. doi:10.1038/187869b0. (abstrakt) [ 3 квітня 2015 у Wayback Machine.]
Джерела
- Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы. — М. : Металлургия, 1987. — 328 с. — 3300 прим.
- Металлические стёкла / Под ред. Дж. Дж. Гилмана и Х. Дж. Лими. / Пер. с англ. — М: Металлургия, 1984. — 264 с.
- Золотухин И. В., Бармин Ю. В. Стабильность и процессы релаксации в металлических стеклах. — М. : Металлургия, 1991. — 158 с.
- Золотухин И. В. Физические свойства аморфних металлических материалов. — М. : Металлургия, 1986. — 176 с.
- Ковнеристый Ю.К., Осипов Э.К., Трофимова Е.А. Физико-химические основы аморфных металлических сплавов. — М. : Металлургия, 1983. — 145 с.
Посилання
- (рос.)
- Вьюгов П. Н., Дмитренко О. Е. Металлические стекла [ 5 березня 2016 у Wayback Machine.] // Вопросы атомной науки и техники. 2004. No 6. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (14). — С. 185–191
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Amo rfni meta li angl amorphous metal sklopodi bdni sklovi dni meta li angl glassy metal abo metali chne sklo angl metallic glass klas metalevih tverdih til z amorfnoyu strukturoyu sho harakterizuyetsya vidsutnistyu dalekogo poryadku j nayavnistyu blizhnogo poryadku u roztashuvanni atomiv Na vidminu vid metaliv z kristalichnoyu strukturoyu amorfni metali harakterizuyutsya fazovoyu odnoridnistyu yih atomna struktura analogichna do atomnoyi strukturi pereoholodzhenih rozplaviv Zrazki amorfnih metaliv Zrazki amorfnih metaliv Laboratorna ustanovka dlya vigotovlennya tonkogo drotu z amorfnogo materialu v Universiteti KardiffaIstorichna dovidkaShe u 1940 h rokah bulo vidomo sho metalevi plivki yaki otrimuvali metodom nizkotemperaturnogo napilennya ne mali kristalichnoyi budovi Odnak pochatok vivchennyu metaliv sho perebuvayut v amorfnomu stani bulo pokladeno u 1960 roci koli v Kalifornijskomu tehnologichnomu instituti grupoyu pid kerivnictvom profesora P Dyuveza angl Pol Duwez bulo otrimano metalichne sklo Au75Si25 Cej ta inshi amorfni metali buli otrimani shlyahom ekstremalno shvidkogo oholodzhennya shvidkist poryadku miljona gradusiv za sekundu U zv yazku z cim takim metodom mozhna bulo vigotovlyati zrazki lishe z poperechnim rozmirom poryadku dekilkoh mikron smugi folgi droti tosho Znachnij naukovij interes do temi stav proyavlyatis z 1970 h rokiv spochatku u SShA i Yaponiyi a u podalshomu v Yevropi SRSR ta KNR U 1990 h rokah bulo vidkrito splavi sho nabuvali amorfnogo stanu uzhe pri shvidkostyah oholodzhennya rivnya 1 C s Ce zrobilo mozhlivim vigotovlennya zrazkiv z rozmirami poryadku desyatkiv milimetriv Pershij komercijnij amorfnij splav potrapiv na rinok u 1992 roci pid nazvoyu Vitreloy 1 41 2 Zr 13 8 Ti 12 5 Cu 10 Ni 22 5 Be Cej splav bulo rozrobleno u Kalifornijskomu tehnologichnomu instituti pid egidoyu Ministerstva energetiki SShA ta NASA Suchasni z 2010 h materiali yaki najkrashe zdatni do utvorennya amorfnih struktur bazuyutsya na splavah cirkoniyu z palladiyem ale vidomo takozh bagato amorfnih splaviv zaliza titanu midi magniyu ta inshih elementiv KlasifikaciyaAmorfni splavi podilyayutsya na dvi osnovni grupi metal metaloyid i metal metal Pri amorfuvanni metodom gartuvannya z ridkogo stanu mozhut buti otrimani splavi sho mistyat nastupni elementi do pershoyi grupi nalezhat sistemi metal metaloyid vidu T21 YXY de T2 Mn Fe Co Ni Pd Au abo Pt X V S Si Ge abo R j Y zminyuyetsya zazvichaj vid 0 15 do 0 25 T i H mozhut buti kombinaciyami elementiv vidpovidnih grup sho chasto pidvishuye shilnist do formuvannya amorfnih struktur do drugoyi grupi nalezhat sistemi perehidnih metaliv T 11 YT2Y de T2 pizni perehidni metali taki yak Fe So Ni Rh Pd a takozh Su T1 ranni perehidni metali grupi Sc Ti V Y 0 3 0 65 VlastivostiZa deyakimi vlastivostyami nizka amorfnih metaliv znachno vidriznyayetsya vid kristalichnih togo zh skladu Zokrema bagato z nih vidriznyayutsya visokoyu micnistyu i udarnoyu v yazkistyu korozijnoyu stijkistyu visokoyu magnitnoyu proniknistyu Mehanichni vlastivosti Deyaki sklopodibni splavi vidriznyayutsya duzhe visokoyu micnistyu i tverdistyu V amorfnih splavah na osnovi elementiv pidgrupi zaliza Fe Co Ni tverdist za Vikkersom HV mozhe perevishuvati 1000 GN m2 micnist 4 GN m2 Razom z cim amorfni splavi mayut duzhe visoku v yazkist rujnuvannya napriklad energiya rujnuvannya pri roztyagu Fe80P13C7 stanovit 110 kDzh m2 todi yak dlya stali X 200 znachennya cogo parametra stanovlyat blizko 17 kDzh m2 Elektrichni vlastivosti Pitomij elektrichnij opir amorfnih metaliv stanovit zazvichaj blizko 100 300 mkOm sm sho znachno perevishuye opir kristalichnih metaliv Krim togo opir metalevih splaviv v amorfnomu stani v pevnih temperaturnih diapazonah harakterizuyetsya slabkoyu zalezhnistyu vid temperaturi a inodi navit zmenshuyetsya zi zrostannyam temperaturi Pri analizi osoblivostej oporu amorfnih metaliv vidilyayut 3 grupi prostij metal prostij metal perehidnij metal metaloyid perehidnij metal perehidnij metal Sklopodibni metali pershoyi grupi vidriznyayutsya malim pitomim oporom menshim vid 100 mkOm sm Iz zrostannyam temperaturi opir riznih materialiv danoyi grupi mozhe yak zrostati tak i zmenshuvatisya Pitomij elektrichnij opir materialiv grupi perehidnij metal metaloyid perebuvaye v diapazoni 100 200 mkOm sm Temperaturnij koeficiyent elektrichnogo oporu iz zbilshennyam temperaturi spochatku dodatnij a koli opir dosyagaye 150 mkOm sm staye vid yemnim Minimalne znachennya oporu dosyagayetsya za temperatur 10 20 K Pitomij opir materialiv grupi perehidnij metal perehidnij metal perevishuye 200 mkOm sm Pri comu iz zrostannyam temperaturi opir zmenshuyetsya Deyaki amorfni splavi proyavlyayut vlastivist nadprovidnosti zberigayuchi pri comu dobru plastichnist Metodi otrimannyaIsnuye bagato sposobiv otrimannya splaviv v amorfnomu stani Gartuvannya z ridkogo stanu Zagartuvannya z ridkogo stanu ye osnovnim sposobom otrimannya sklopodibnih metaliv Cej metod polyagaye v nadshvidkomu oholodzhenni rozplavu v rezultati yakogo vin perehodit u tverdij stan uniknuvshi kristalizaciyi struktura materialu zalishayetsya praktichno takoyu zh yak v ridkomu stani Vin vklyuchaye v sebe dekilka metodiv yaki dozvolyayut otrimuvati amorfni metali u formah poroshku tonkogo drotu tonkoyi strichki plastinok Takozh buli rozrobleni splavi z maloyu kritichnoyu shvidkistyu oholodzhennya sho dozvolilo stvoryuvati ob yemni zrazki iz splaviv v amorfnomu stani Dlya otrimannya plastinok masoyu do dekilkoh soten miligramiv kraplya rozplavu z velikoyu shvidkistyu vistrilyuyetsya angl qun techniques na oholodzhuvanu midnu plitu shvidkist oholodzhennya pri comu dosyagaye 109 C s Dlya otrimannya tonkih strichok shirinoyu vid desyatih do desyatkiv milimetriv rozplav vidavlyuyetsya na obertovu oholodzhuvalnu poverhnyu Dlya otrimannya drotu tovshinoyu vid odinic do soten mikron zastosovuyutsya rizni metodi U pershomu rozplav prostyagayetsya v trubci cherez oholodzhuvalnij vodnij rozchin shvidkist oholodzhennya pri comu stanovit 104 105 C s U drugomu metodi strumin rozplavu potraplyaye v oholodzhuvalnu ridinu yaka znahoditsya na vnutrishnij storoni obertovogo barabana de utrimuyetsya za rahunok vidcentrovoyi sili Gartuvannya z gazovogo parovogo seredovisha Pri otrimanni amorfnih struktur tugoplavkih metaliv metodom gartuvannya z ridkogo stanu vinikaye ryad trudnoshiv pov yazanih z visokoyu temperaturoyu plavlennya tugoplavkih metaliv ta yih visokoyu himichnoyu aktivnistyu Ci trudnoshi povnistyu usuvayutsya pri vikoristanni metodu zagartuvannya z gazovoyi fazi Do cogo metodu nalezhat dva osnovnih pidhodi metod ionno plazmovogo trielektrodnogo i magnetronnogo napilennya plazmove rozpilennya angl sputtering metod termichnogo viparovuvannya Metod visokoshvidkisnogo ionno plazmovogo rozpilennya dozvolyaye stvoryuvati amorfni strukturi riznogo skladu tovshinoyu do 10 mm Bilshist shem visokoshvidkisnogo ionno plazmovogo rozpilennya bazuyetsya na trielektrodnij shemi rozpilennya pri postijnomu strumi Elektroni sho viprominyuyutsya pryamo kanalnim elektrodom pid diyeyu potencialu prikladenogo dzherelom zhivlennya Ioni inertnogo gazu stvoryuyutsya pri zitknennyah elektroniv z atomami inertnogo gazu j utvoryuyut ionizovanij rozryad abo plazmu Pislya vstanovlennya rozryadu do misheni prikladayetsya negativnij potencial shob vityagnuti ioni inertnogo gazu z rozryadu yaki mayuchi veliku energiyu vdaryayut po misheni j viklikayut yiyi rozpilennya Atomi sho rozpilyayutsya pokidayut mishen Atomi yaki popadayut na pidkladku osadzhuyutsya na nij Otrimana takim chinom plivka ye amorfnoyu Metod termichnogo viparovuvannya bazuyetsya na procesi kondensaciyi termichno viparuvanih atomiv Efektivna shvidkist oholodzhennya pri zagartuvanni z gazovoyi fazi mozhe dosyagati 1013 C s todi yak pri gartuvanni z ridkoyi fazi vona stanovit 106 1010 C s Vnaslidok zbilshennya shvidkosti zagartuvannya znachno rozshiryuyetsya diapazon skladiv splaviv u yakih realizuyetsya amorfnij stan Inshi metodi Metod lazernogo glazuruvannya angl laser glazing Amorfnu strukturu otrimuyut shlyahom vzayemodiyi rechovini za korotkij period chasu z lazernim viprominyuvannyam visokoyi shilnosti energiyi Osnovna chastina energiyi lazernogo viprominyuvannya vitrachayetsya na shvidke rozplavlennya poverhnevogo sharu rechovini Vnaslidok korotkochasnosti procesu osnovna masa materialu zalishayetsya ne nagritoyu Zberezhennya holodnoyi poverhni na mezhi kontaktu z tonkim sharom rozplavu privodit do oholodzhennya iz shvidkostyami 105 108 C s Pri takomu plavlenni vinikaye na poverhni gomogenna ridina yaka pislya tverdinnya peretvoryuyetsya na sklo Takij proces she otrimav nazvu lazerne siluvannya Takozh dlya otrimannya amorfnih struktur znajshli zastosuvannya metodi elektrolitichnogo ta himichnogo osadzhennya oprominennya chastkami vplivu udarnoyi hvili ionnoyi implantaciyi tosho ZastosuvannyaNe zvazhayuchi na dobri mehanichni vlastivosti sklopodibni metali ne vikoristovuyutsya dlya vigotovlennya vidpovidalnih detalej konstrukcij z prichin visokoyi vartosti j tehnologichnih uskladnen Perspektivnim napryamom ye zastosuvannya koroziyestijkih amorfnih splaviv u riznih galuzyah de stavlyatsya visoki vimogi do korozijnoyi stijkosti V oboronnij promislovosti pri virobnictvi zahisnih bronovanih zagorodzhen vikoristovuyutsya prosharki z amorfnih splaviv na osnovi alyuminiyu dlya gasinnya energiyi bronebijnogo snaryadu zavdyaki visokij v yazkosti rujnuvannya takih prosharkiv Zavdyaki svoyim magnitnim vlastivostyam amorfni metali vikoristovuyutsya pri virobnictvi magnitnih ekraniv zchituvalnih golivok pristroyiv zapisu i zberigannya informaciyi transformatoriv tosho Mala zalezhnist elektrichnogo oporu deyakih amorfnih metaliv vid temperaturi dozvolyaye vikoristovuvati yih yak etalonni rezistori Div takozhAmorfnij stan Amorfni mineraliPrimitkiKlement W Willens R H Duwez POL 1960 Non crystalline Structure in Solidified Gold Silicon Alloys Nature 187 4740 869 870 doi 10 1038 187869b0 abstrakt 3 kvitnya 2015 u Wayback Machine DzherelaSudzuki K Fudzimori H Hasimoto K Amorfnye metally M Metallurgiya 1987 328 s 3300 prim Metallicheskie styokla Pod red Dzh Dzh Gilmana i H Dzh Limi Per s angl M Metallurgiya 1984 264 s Zolotuhin I V Barmin Yu V Stabilnost i processy relaksacii v metallicheskih steklah M Metallurgiya 1991 158 s Zolotuhin I V Fizicheskie svojstva amorfnih metallicheskih materialov M Metallurgiya 1986 176 s Kovneristyj Yu K Osipov E K Trofimova E A Fiziko himicheskie osnovy amorfnyh metallicheskih splavov M Metallurgiya 1983 145 s Posilannya ros Vyugov P N Dmitrenko O E Metallicheskie stekla 5 bereznya 2016 u Wayback Machine Voprosy atomnoj nauki i tehniki 2004 No 6 Seriya Vakuum chistye materialy sverhprovodniki 14 S 185 191