МІНІСТЕРСТВО ОСВВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Аморфні метали
Курсова робота
ЗМІСТ
ВСТУП
I. АМОРФНІ МЕТАЛЕВІ СПЛАВИ, ПРОЦЕС УТВОРЕННЯ ТА СТРУКТУРА
1.1 Історія відкриття металевих стекол
1.2 Структура аморфного стану
1.3 Утворення аморфних матеріалів
II. КРИСТАЛІЗАЦІЯ АМОРФНИХ МЕТАЛЕВИХ СПЛАВІВ
2.1 Аморфні метали
2.2 Протікання процесу аморфізації
2.3 Механізми кристалізації аморфних сплавів
2.4 Методи отримання аморфних і наноструктурних матеріалів
III. МЕТОДИ ОДЕРЖАННЯ АМОРФНИХ МЕТАЛІВ
3.1 Методи розпилювання
3.2 Загартування на охолоджуючих поверхнях
3.2.1 Дискретні методи
3.2.2 Безперервні методи
3.3 Іонно-плазмове розпилення
3.4 Аморфізація сплавів шляхом пластичної деформації
IV. АМОФНІ ФЕРОМАГНЕТИКИ ВЛАСТИВОСТІ І ЗАСТОСУВАННЯ
4.1 Аморфні феромагнетики
4.2 Використання аморфних сплавів у якості дифузійного бар’єру та для виготовлення магнітних голівок і сенсорів
4.3 Ноу-хау у галузі металевих стекол. Гнучке скло. REAL – скло
ВИСНОВКИ
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
ВСТУП
Останніми роками значну роль в створенні нових матеріалів відіграють аморфні і наноструктурні стани. Аморфні і наноструктурні металеві сплави є об'єктами як фундаментальних досліджень, так і прикладних розробок.
В результаті постійного зростання інтересу до таких матеріалів, систематично проводяться міжнародні конференції з різних проблем їх вивчення і практичного використання. Особливо висока активність в даній області постерігається в США, Японії і низці країн Європейського співтовариства. Існують також прогнози про зростання числа областей і об'ємів застосування аморфних і наноструктурних металевих сплавів найближчим часом, що пояснюється унікальним комплексом їх властивостей, поєднанням електромагнітних, міцністних, корозійних і ін. специфічних властивостей цих матеріалів. Використання нових аморфних і наноструктурних сплавів як конструкційних матеріалів перспективно для створення приладів, машин і систем за допомогою яких можна вирішувати проблеми інформаційного забезпечення, енергозбереження, екології, підвищення ресурсу і безпеки сучасної техніки.[1].
Принципові труднощі отримання аморфних металевих сплавів, що отримуються в процесі твердіння розплавів в основному подолані. Проте для наноструктурних металевих матеріалів з характерним розміром порядку ~1–10нм такі труднощі ще збереглися. Це відноситься і до процесів компактування нано-порошків, і до інших відомих методів отримання масивних наноматеріалів. Новими ефективними методами отримання масивних наноматеріалів стає термічна і інші види обробки об'ємних аморфних сплавів.
I. АМОРФНІ МЕТАЛЕВІ СПЛАВИ, ПРОЦЕС УВОРЕННЯ ТА ЇХ СТРУКТУРА
Структура аморфного стану
Відразу ж після отримання аморфних металевих сплавів (АМС) виникли питання, пов'язані з їх атомною структурою. Чи змінився структурний хаос атомів, властивий рідкому стану, при швидкому охолодженні? Якщо змінився, то яким став новий структурний безлад? Нажаль, відповіді на ці питання непрості. Трудності посилюються тим, що до теперішнього часу немає прямих експериментальних методів, які могли б дати однозначну відповідь про структуру аморфних сплавів. Проте за допомогою рентгенівської, нейтронної, електронної дифракції було показано, що в АМС є більш-менш чітко обумовлений на відстані двох-трьох сусідніх атомів так званий ближній порядок . Щоб розібратися в суті цього поняття, скористуємося модельними уявленнями, які служать для ілюстрації просторового расположення атомів в кристалічних гратах. В таких моделях атоми вважаються кульками. Структура кристала утворюється в результаті багаторазового повторення в трьох напрямках одиничної елементарної комірки. Елементарна комірка представляє собою групу атомів, взаємне розташування яких однозначно визначено. На рис. 1.1 а), б) подані моделі структури кристала, елементарної коміркою якої служить група з восьми атомів, розташованих у вершинах куба. Переміщуючи елементарну комірку вздовж трьох взаємно перпендикулярних напрямків, можна побудувати весь об'ємний кристал. Розміщення атомів у вигляді нескінченних рядів, що йдуть далі, називають дальнім порядком.[2]
Повернемося до визначення ближнього порядку. Вважається, що в аморфному металевому сплаві елементарна комірка, характерна для кристалічного стану, також зберігається. Однак при стикуванні елементарних комірок в просторі порядок їх порушується, і стрункість лав атомів, характерна для далекого порядку, відсутня. У цьому легко переконатися, уважно подивившись на модель, представлену на рис. 3, б. Ця структура отримана за допомогою комп'ютерного моделювання. Видно елементарні комірки, що складаються з восьми атомів, характерні для ближнього порядку. При цьому дальній порядок ,очевидно, відсутній.
Близький порядок, який лежить в основі структури аморфних сплавів, є метастабільною системою. При нагріванні до температури кристалізації Tx він перебудовується в звичайну кристалічну структуру. У середньому для більшості аморфних сплавів Tx знаходиться в межах 650-1000 K. На щастя, при кімнатній температурі аморфні сплави можуть зберігати структуру і властивості протягом сотень років.
Особливості структури АМС позначилися і на багатьох фізичних властивостях. Так, незважаючи на те що щільність аморфних сплавів на 1-2% нижче щільності кристалічних аналогів, міцність їх вище в 5-10 разів. Більш висока міцність пов'язана з тим, що в АМС відсутні такі дефекти, як дислокації і межі зерен, властиві кристалічному стану. Навіть вакансії (порожні місця, що утворюються при видаленні атомів з вузлів кристалічної решітки) в аморфних сплавах мають іншу форму і розміри. Вони більше схожі на порожнечі чечевицеподібної форми. Їх називають вакансіонноподобними дефектами. Ці пустоти мають вигляд вузьких щілин, і в них не може розміститися атом. Наявність таких дефектів сильно ускладнює дифузію (проникнення атомів) через аморфні металеві шари.
Рис.1 .1. Комп’ютерні моделі структури дальнього (а) і ближнього (б) порядку
Безлад розташування атомів у вигляді ближнього порядку впливає на електропроводність металевих стекол. Їх питомий електричний опір у 3-5 разів вище, ніж у кристалічних аналогів. Це пов'язано з тим, що при русі електронів через нерегулярну структуру АМС вони відчувають набагато більше зіткнень з іонами, ніж у кристалічній решітці.
Аморфні метали
Аморфні метали – це тверді метали та сплави, які знаходяться у аморфному стані. Експериментально аморфність металевих і неметалевих речовин встановлюється по відсутності характерних для кристалів дифракційних максимумів на рентгено-, нейтроно- і електронограмах зразків. Існує чотири основних метода одержання аморфних металів та сплавів:
1) Швидке охолодження (зі швидкостями 104 – 106 К/с) рідкого розплаву; отримані аморфні сплави мають назву металеве скло;
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.
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.
Іонно-плазмове розпилення
Інший спосіб одержання металевих стекол - високошвидкісне іонно-плазменне розпилення металів і сплавів [6]. Найбільше розповсюдження отримав пристрій, заснований на чотирьох-електродній схемі розпилювання (рис. 3.3). Вся система знаходиться у вакуумній камері, що містить газ аргон під тиском 0,5 Па. Нагріваючи електричним струмом вольфрамову спіраль 3, "видобувають" електтрони, що переміщуються в бік анода 2 під дією потенціалу, створюваного джерелом високої напруги (близько 3 кВ). По дорозі електрони зіштовхуються з атомами аргону і іонізують їх. Іони аргону утворюють плазму. Після того як встановився безперервний процес створення іонів, тобто "засвітилась" плазма, до мішені 4 прикладується негативний потенціал, щоб витягнути позитивно заряджені іони інертного газу з плазми і направити їх на мішень. Іони аргону, маючи досить велику енергію, стикаючись з поверхневими атомами мішені і вибивають їх. Цей процес називається розпиленням. Розпилювані атоми залишають мішень і лягають на підкладку 5. Процес ведуть таким чином, щоб атоми, які вилітають із мішені, мали невелику кінетичну енергію. Потрапляючи на підкладку, вони не відскакують, як пружні м'ячики, а одразу ж прилипають до її поверхні, тобто замерзають. Цей процес осадження атомів на холодній підкладці еквівалентний охолодженню з дуже високою швидкістю. Розрахунки показують, що швидкість охолодження досягає значень 1010 К / с. Аморфні металеві сплави виходять у вигляді напиленого шару 6 товщиною від 1 до 1000мкм.[6].
Рис.3.3 Схема установки для чотирьохелектродного розпилення: 1 - вакуумна камера, 2 - анод, 3 - катод, 4 - мішень, 5 - підкладка, 6 - аморфний матеріал
Аморфні феромагнетики
В даний час майже всі сфери технічного застосування АМС ґрунтуються на унікальному поєднанні магнітних і механічних властивостей, які роблять аморфні метали одним з ключових елементів сучасних інформаційних технологій. На жаль, магнітні властивості речовини не є тим предметом, про який легко розмовляти популярно, тому спочатку нам доведеться хоча б поверхово торкнутися дивовижний природний феномен, що отримав назву "ферромагнетизм" (від лат. Ferrum - залізо).
При кімнатній температурі феромагнетизмом володіють три чистих метали: залізо (Fe), нікель (Ni) і кобальт (Co). Кожен з атомів цих елементів володіє магнітним моментом, тобто може розглядатися як дуже маленька магнітна стрілка або постійний магніт. Природно,що магнітний момент кожного атома малий, малий настільки, що для зручного його опису застосовується спеціальна одиниця - Магнетон Бора. Магнетон Бора µб є найменшою одиницею (квантом) магнетизма, і за сучасними уявленнями жодна фізична система не може мати відмінний від нуля магнітний момент, менший . Величина Магнетон Бора визначається за формулою:
і є комбінацією фундаментальних фізичним констант: е, m - заряд і маса електрона, h – постійна Планка і с-швидкість світла.
Виникнення феромагнетизму пов'язане з проявом так званого обмінної взаємодії, яке отримує пояснення в рамках квантової теорії. Для нас важливий результат цього процесу, який зводиться до наступного: існує певна критична температура ТC (температура К’юрі), нижче за яку весь обсяг феромагнетика розбивається на області, що отримали назву доменів, усередині яких магнітні моменти атомів паралельні один одному. Температура Кюрі залежить від сорту атомів і структурного стану речовини і є однією з найважливіших характеристик феромагнетика.
Величина магнітного поля, що виникла внаслідок упорядкування орієнтації атомних магнітних моментів, називається намагніченістю. У матеріалах, що не володіють ферромагнетизмом, намагніченість виникає під впливом зовнішнього магнітного поля, що орієнтує магнітні моменти атомів. Всередині доменів феромагнетика намагніченість виникає самовільно під дією сил обмінної взаємодії. Тому домени називають областями спонтанної (тобто мимовільної) намагніченості. На межі двох доменів магнітні моменти атомів поступово змінюють орієнтацію в тонкому перехідному шарі, який називається доменною стінкою. Схема розташування доменів в феромагнітному матеріалі представлена на рис. 4.1.
Зміна намагніченості в залежності від зовнішнього поля прийнято зображати графічно. При цьому по осі абсцис відкладається зовнішнє магнітне поле H, яке прикладається до феромагнетика, а по осі ординат - намагніченість M. Типічна крива намагніченості представлена на рис. 4.2 При відсутності зовнішнього поля намагніченість дорівнює нулю. В міру зростання зовнішнього магнітного поля відбувається рух доменних стінок таким чином, що об’єм доменів, спонтанна намагніченість яких паралельна зовнішньому полю, також зростає (середня частина зростаючого відрізка кривої ). Подальше збільшення зовнішнього поля призводить до того, що весь об’єм ферромагнетика намагнічується до насичення . Максимальне значення намагніченості називають намагніченістю насичення і позначають Ms (відангл. saturation - насичення).
Рис. 4. 1. Доменна структура феромагнетика
Рис 4.2.Схематичне зображення процесу намагнічування і відповідні зміни доменної структури феромагнітного матеріалу
При зменшенні зовнішнього поля до нуля намагніченість феромагнетика нестає нульовою. Завжди залишається так звана залишкова намагніченість, що позначається Mr (від англ. remainder - залишок). Наявність залишкової намагніченісті лежить в основі існування постійних магнітів. Щоб зняти залишкову намагніченість, необхідно докладати зовнішнє магнітне поле з протилежним знаком (тобто в зворотньому напрямку). Значення розмагнічуючого поля, яке потрібно для того, щоб залишкова намагніченість зразка стала рівною нулю, називається коерцитивною силою і позначається Hc. Назва не дуже вдала, ніякої сили немає, є тільки магнітне поле. Тому в наш час термін "коерцитивна сила" витісняється терміном "коерецитивне поле".
Коерцитивне поле є дуже важливою характеристикою феромагнітного матеріалу, величину якої визначає, чиє матеріал магнітом яким (Hc <100 A / м) або магнітожорстким (Hc> 100 A / м). Магнітом які матеріали використовуються для виготовлення сердечників трансформаторів та електромагнітів, статорів електромоторів, магнітних голівок запису і відтворення. Магнітожорсткі матеріали використовуються головним чином для виготовлення постійних магнітів.
Довгий час існувала думка, що феромагнетизм притаманний тільки впорядкованим кристалічним структурам. А.І. Губанов в 1960 році першим передбачив існування феромагнетизму в аморфних металевих сплавах. Слід підкреслити , що феромагнетизм аморфних сплавів обумовлений наявністю в них одного, двох або всіх трьох феромагнітних елементів: заліза, нікелю та кобальту. Подвійні феромагнітні сплави можна розділити на наступні групи: сплави з феромагнітних елементів з перехідними металами: Fe-Au, Co-Zr, Ni-Pt і т.д.; сплави феромагнітних елементів з неметалами: Fe-C, Co-B, Ni-P і т.д.; сплави з одним з металів:Fe-Tb, Co-Sm, Ni-Nd і т.д. Крім подвійних розроблено велику кількість трьох-, чотирьох-багатокомпонентних аморфних феромагнітних сплавів.[7]
Які корисні магнітні властивості поліпшуються в результаті утворення аморфної структури? Відомо, що в звичайних феромагнетиках завжди є магнітна анізотропія,обумовлена кристалічним порядком розташування магнітних моментів атомів. Магнітна анізотропія істотно зменшує рухливість доменних стінок і збільшує коерцитивне поле. В принципі в аморфних феромагнетиках магнітна анізотропія повинна дорівнювати нулю, оскільки відсутній кристалічний дальній порядок. Практично реальні аморфні ферромагнетики все ж володіють магнітною анізотропією, яка, однак, на два порядки менше, ніж у кристалічних. Зменшення магнітної анізотропії призводить до різкого зниження коерцитивного поля до значень 0,01 А / м, що зменшує втрати при перемагнічуванні. Таким чином, аморфні металеві сплави майже завжди є магнітом якими феромагнетиками.
Іншою корисною властивістю аморфних феромагнетиків є більш високе значення початкової магнітної проникності як на низьких (0,1-1 МГц), так і на високих (5-15 МГц) частотах. Ця властивість визначається високим питомим електричним опором аморфних феромагнетиків, що значно знижує втрати на труми Фуко.
Завершуючи опис магнітних властивостей аморфних феромагнетиків, ми приходимо до висновку, що властиві їм магнітні властивості виникають завдяки невпорядкованому розташуванню атомів. Деякі з цих властивостей є унікальними і не можуть бути отримані в кристалічних сплавах.
ВИСНОВКИ
Зроблено огляд літератури по вирішенню проблеми аморфних металевих сплавів, зокрема про структуру аморфних феромагнетиків їх перевагами над кристалічними тілами, методами одержання та застосування металевого скла:
1. Головна відмінність аморфізованого стану речовини від кристалічних твердих тіл – це відсутність дальнього порядку атомів у структурі,завдяки чому вони є твердішими.
2. З розглянутих вище методів добування аморфних сплавів можна сказати, що:
- Головним недоліком методу дискретного гартування на охолоджуючих поверхнях є неоднорідність по товщині одержаної фольги .
- Безперервні методи мають перевагу за рахунок двостороннього охолоджування з хорошим поверхневим контактом, і сплав має однакову товщину , проте ним важко керувати.
- За допомогою методу іонно-плазмового розпилення процесом осадження аморфної плівки легко можна керувати, до того ж швидкість росту плівки досягає 60нм/с.
- Зараз починає розвиватися метод «левітування» за допомогою якого можна створювати металеві стекла із наперед заданими властивостями.
3.Щодо застосування можна сказати наступне:аморфні метали мають широкий спектр застосування,зокрема феромагнетики використовують для запису та збереження інформації,в техніці для створення дифузійного бар’єру в інтегральних схемах,щоб запобігти їх замиканню.
REAL-скло може використовуватись в медицині для лікування ракових пухлин,що зараз дуже доречно.
МІНІСТЕРСТВО ОСВВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Аморфні метали
Курсова робота
ЗМІСТ
ВСТУП
I. АМОРФНІ МЕТАЛЕВІ СПЛАВИ, ПРОЦЕС УТВОРЕННЯ ТА СТРУКТУРА
1.1 Історія відкриття металевих стекол
1.2 Структура аморфного стану
1.3 Утворення аморфних матеріалів
II. КРИСТАЛІЗАЦІЯ АМОРФНИХ МЕТАЛЕВИХ СПЛАВІВ
2.1 Аморфні метали
2.2 Протікання процесу аморфізації
2.3 Механізми кристалізації аморфних сплавів
2.4 Методи отримання аморфних і наноструктурних матеріалів
III. МЕТОДИ ОДЕРЖАННЯ АМОРФНИХ МЕТАЛІВ
3.1 Методи розпилювання
3.2 Загартування на охолоджуючих поверхнях
3.2.1 Дискретні методи
3.2.2 Безперервні методи
3.3 Іонно-плазмове розпилення
3.4 Аморфізація сплавів шляхом пластичної деформації
IV. АМОФНІ ФЕРОМАГНЕТИКИ ВЛАСТИВОСТІ І ЗАСТОСУВАННЯ
4.1 Аморфні феромагнетики
4.2 Використання аморфних сплавів у якості дифузійного бар’єру та для виготовлення магнітних голівок і сенсорів
4.3 Ноу-хау у галузі металевих стекол. Гнучке скло. REAL – скло
ВИСНОВКИ
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
ВСТУП
Останніми роками значну роль в створенні нових матеріалів відіграють аморфні і наноструктурні стани. Аморфні і наноструктурні металеві сплави є об'єктами як фундаментальних досліджень, так і прикладних розробок.
В результаті постійного зростання інтересу до таких матеріалів, систематично проводяться міжнародні конференції з різних проблем їх вивчення і практичного використання. Особливо висока активність в даній області постерігається в США, Японії і низці країн Європейського співтовариства. Існують також прогнози про зростання числа областей і об'ємів застосування аморфних і наноструктурних металевих сплавів найближчим часом, що пояснюється унікальним комплексом їх властивостей, поєднанням електромагнітних, міцністних, корозійних і ін. специфічних властивостей цих матеріалів. Використання нових аморфних і наноструктурних сплавів як конструкційних матеріалів перспективно для створення приладів, машин і систем за допомогою яких можна вирішувати проблеми інформаційного забезпечення, енергозбереження, екології, підвищення ресурсу і безпеки сучасної техніки.[1].
Принципові труднощі отримання аморфних металевих сплавів, що отримуються в процесі твердіння розплавів в основному подолані. Проте для наноструктурних металевих матеріалів з характерним розміром порядку ~1–10нм такі труднощі ще збереглися. Це відноситься і до процесів компактування нано-порошків, і до інших відомих методів отримання масивних наноматеріалів. Новими ефективними методами отримання масивних наноматеріалів стає термічна і інші види обробки об'ємних аморфних сплавів.
Дата: 2019-05-29, просмотров: 190.
