Kaasaegsed meetodid amorfsete materjalide saamiseks. Amorfsete materjalide kasutamise väljavaated

Kui vedelik jahutatakse aeglaselt alla kristalliseerumispunkti, on vedelik ülejahutatud. See vedeliku olek on metastabiilne, st mõne aja pärast peab see minema kristallilisse olekusse, mis on energeetiliselt soodne allpool kristalliseerumispunkti. Kui vedeliku kristalliseerumine on toimunud, siis klaasiseerumist jälgida ei saa. Kui aga vedeliku kristalliseerumine on mingil põhjusel raskendatud, st metastabiilse oleku eluiga on piisavalt pikk, siis ülejahutatud vedeliku piisavalt kiirel jahutamisel suureneb selle viskoossus kiiresti ja see läheb tahkesse amorfsesse olekusse.

Üleminek klaasjas olekust kristallisse olekusse, kuigi võimalik, on seotud pikkade ooteaegadega ja paljudel juhtudel on see praktiliselt jälgimatu.

Aine klaasjas oleku saamise võimaluse määrab selle kristalliseerumise lihtsus. Selle põhjal võib ained jagada kolme rühma. Esimesse rühma kuuluvad paljud orgaanilised polümeersed vedelikud. Selliste vedelike kristalliseerumine on keeruline nende pikkade polümeeri molekulide vähese liikuvuse tõttu, mis on keerulises läbipõimunud olekus. Isegi sellise vedeliku väga aeglase jahutamise korral see ei kristalliseeru ja saavutab temperatuuri, mille juures see klaasistub. Selliseid vedelikke nimetatakse mõnikord looduslikult amorfseteks. Paljud rakendused on loomulikult amorfsed.

looduslikud vaigud. Teise rühma moodustavad ained, mis sobivad hästi nii kristalliseerumiseks (aeglase jahutuskiirusega) kui ka klaasistumiseks. Glütseriin on klassikaline näide. Selliste ainete puhul on võimalik samadel temperatuuridel mõõta nii kristalli kui ka ülejahutatud vedeliku omadusi, mis osutub oluliseks klaasistumisprotsessi olemuse mõistmisel. Esimese ja teise rühma vedelikke nimetatakse klaasi moodustavateks. Kolmandasse rühma kuuluvad kergesti kristalliseeruvad ained, mille puhul peeti klaasja oleku olemasolu pikka aega võimatuks. Selliste ainete klassikaliseks näiteks võib pidada puhtaid metalle ja erinevaid sulameid. Viimasel ajal on aga ilmunud meetodid ülikiire jahutamise saavutamiseks kuni 108 K/s. Sellise kiire jahutamisega oli võimalik saada paljude metallide ja sulamite amorfne olek.

4.2 Amorfsete metallmaterjalide saamise meetodid

Amorfsete materjalide saamise meetodid võib tinglikult jagada kolme rühma:

Sulametalli jahutamine ülisuurtel kiirustel (10 5 -10 7 K/s) (jahutamine vedelast olekust). Nende hulka kuuluvad sulatise tilga laskmine soojust juhtivale substraadile (külmik), tilga tasandamine vaskplaatide vahele, metallisulatise joa valamine pöörlevale jahutile (kettale või trumlile), sulatise joa veeretamine rullikute vahel, plaadi külmutamine. kõrge soojusjuhtivusega vertikaaltasapinnas kiiresti pöörleva ketta serva õhuke sulamiskiht.materjal. Selliste meetoditega saadakse metallisulamitest lint, pulbreid, kiude.

Metallide sadestamine gaasi (auru) faasist jahutatud substraadile. Nende hulka kuuluvad termiline aurustamine, ioonide pihustamine, plasmapihustamine jne. Neid meetodeid iseloomustab kõrge karastuskiirus, mis võimaldab moodustada amorfse oleku ka sulamitele, mis ei amorfueru sulast kustutamisel. Nende meetodite puudused on madal tootlikkus, keerukus ja seadmete kõrge hind.

Tahke keha kristalse struktuuri hävimine välismõjude mõjul. Siin pakub suurimat huvi ioonide implanteerimine, mida saab kasutada teatud metallidest valmistoodetele amorfsete kihtide saamiseks.

1. meetodite ühiseks tunnuseks on sulatise kiireks jahutamiseks selliste tingimuste loomine, mis takistaksid kristalliseerumisprotsessi. Praktika näitab, et kristalliseerumist on võimalik ära hoida ja klaasjas olekut fikseerida, kui viia vedel sulam kokku metallist külma substraadiga, mis peaks olema valmistatud hea soojusjuhtivusega materjalist. Tavaliselt kasutatakse selleks vaske, berülliumpronksi ja messingit. Sulatust kuumutatakse induktsioonkuumutusseadme või takistusahju abil.

On mitmeid põhitingimusi, mille täitmine võimaldab saada amorfset sulamit toatemperatuuril ja normaalsel atmosfäärirõhul vedelast olekust karastamise teel:

Sula ruumala voolukiirus läbi düüsiava pöörleva ketta pinnale peab olema konstantne kogu amorfse sulami moodustumise aja jooksul.

Sulajoa vool peab olema stabiilne ja kaitstud peente tolmuosakeste ja seadme pöörlevate osade poolt tekitatud kontrollimatute õhuvoolude eest.

Ketta vormimispind peab olema hästi poleeritud ning sellel peab olema hea mehaaniline ja termiline kontakt sulajoaga.

Viimastel aastatel on amorfsete struktuuride saamiseks kasutatud meetodit materjali kiireks ioon-plasma pihustamiseks substraadile. Pommitamiskiirus sõltub nii sihtmärgile rakendatava ioonvoolu pingest kui ka tihedusest. Pritsitud aatomid lahkuvad sihtmärgist. Osa aatomeid tabab substraati ja sadestub sellele ning osa kaob spetsiaalsetele ekraanidele. Pihustamine toimub kahes etapis:

Esialgne. Selle eesmärgid on: 1- eemaldatakse sihtmärgi ülemine saastunud kiht; 2- ekraanidele sadestatakse pihustatud aine kile, mis võib toimida getterina jne. substraadi piirkonda tekib vähendatud lisandite sisaldusega ala; 3 - pihustusprotsess muutub statsionaarsemaks ja sadestunud kihi koostis vastab sihtmärgi koostisele alles pärast teatud aja möödumist, mil pihustatud aatomite koostis ühtlustub. Pärast eelpihustamise lõpetamist puhastatakse aluspinda iooniliselt mitu minutit, rakendades sellele 100 V negatiivset potentsiaali. Seejärel algab pihustamine töörežiimis. See meetod võimaldab luua kuni 1 cm paksuseid keeruka koostisega amorfseid struktuure.

Samuti kasutatakse amorfsete metallide saamiseks praegu laserkiirgust, mis võimaldab metalli kiiresti kuumutada ja tagab sulatise jahutamise kiirusega vähemalt 10 5 -10 6 K/s. Kiire sulamisega tekib homogeenne vedelik, mis pärast tahkumist muutub nn. ebatavaliste füüsikaliste ja mehaaniliste omadustega klaas. Sarnase struktuuri moodustumise protsessi metallmaterjalide pinnal nimetatakse "laserklaasi üleminekuks".

Vastavalt aatomite ja molekulide vastastikusele paigutusele võivad materjalid olla kristalsed ja amorfsed. Kristalliliste ja amorfsete ainete ebavõrdne struktuur määrab ka nende omaduste erinevuse. Amorfsed ained, millel on kulutamata sisemine kristalliseerumisenergia, on keemiliselt aktiivsemad kui sama koostisega kristalsed (näiteks ränidioksiidi amorfsed vormid: pimss, tripoli, diatomiidid võrreldes kristallilise kvartsiga).

Amorfsete ja kristalsete ainete oluline erinevus seisneb selles, et kristalsetel ainetel on kuumutamisel (konstantsel rõhul) teatud sulamistemperatuur. Ja amorfne - pehmendab ja läheb järk-järgult vedelasse olekusse. Amorfsete ainete tugevus on reeglina madalam kui kristalsetel, seetõttu viiakse suurenenud tugevusega materjalide saamiseks läbi spetsiaalselt kristalliseerimine, näiteks klaaskeraamilise materjali - klaaskeraamika - saamiseks.

Sama koostisega kristalsetes materjalides võib täheldada erinevaid omadusi, kui need moodustuvad erinevates kristallivormides, mida nimetatakse modifikatsioonideks (polümorfismi nähtus). Näiteks kvartsi polümorfsete transformatsioonidega kaasneb ruumala muutus. Materjali omaduste muutumist kristallvõre muutmise teel kasutatakse metallide kuumtöötlemisel (karastamisel või karastamisel).

- Materjalide koostise ja struktuuri mõju nende omadustele. Ehitusmaterjalide konstruktsioonide tüübid.

Ehitusmaterjalide omadused on suuresti seotud nende struktuuri omadustega ja ainete omadustega, millest see materjal koosneb. Materjali struktuur omakorda sõltub: looduslike materjalide puhul - nende päritolust ja tekketingimustest, tehismaterjalide puhul - materjali tootmis- ja töötlemise tehnoloogiast. Seetõttu peab ehitaja ehitusmaterjalide käiku uurides ennekõike selle seose omastama. Samal ajal tuleks materjalide tehnoloogiat ja töötlemist käsitleda nende mõjust saadud materjali struktuurile ja omadustele.

Ehitusmaterjali iseloomustavad keemilised, mineraalsed ja faasilised koostised.

Kõik ehitusmaterjalid jagunevad olenevalt keemilisest koostisest: orgaanilised (puit, bituumen, plastid jne), mineraalsed (betoon, tsement, tellis, looduskivi jne) ja metallid (teras, malm, alumiinium). Igal neist rühmadest on oma omadused. Seega on kõik orgaanilised materjalid põlevad ja mineraalsed tulekindlad; Metallid on head elektri- ja soojusjuhid. Keemiline koostis võimaldab hinnata teisi tehnilisi omadusi (biostabiilsus, tugevus jne). Mõne materjali (anorgaanilised sideained, kivimaterjalid) keemilist koostist väljendatakse sageli neis sisalduvate oksiidide hulgaga.

Oksiidid, mis on omavahel keemiliselt seotud, moodustavad mineraale, mis iseloomustavad materjali mineraalset koostist. Teades mineraalaineid ja nende kogust materjalis, saab hinnata materjali omadusi. Näiteks anorgaaniliste sideainete võime kõveneda ja vesikeskkonnas tugevust säilitada on tingitud silikaatide, aluminaatide, kaltsiumferriitide sisaldusest neis ning nende suure koguse korral kiireneb kõvenemisprotsess ja sideaine tugevus. tsemendikivi suureneb.

Materjali faasilise koostise iseloomustamisel eristatakse tahkeid aineid, mis moodustavad pooride seinu (materjali “karkass”) ning õhu ja veega täidetud poore. Materjali faasiline koostis ja vee faasisiired selle poorides mõjutavad kõiki materjali omadusi ja käitumist töötamise ajal.

Materjali omadustele ei avalda vähem mõju selle makro- ja mikrostruktuur ning materjali moodustavate ainete sisemine struktuur molekulaar-ioonsel tasandil.

Materjali makrostruktuur on struktuur, mis on nähtav palja silmaga või väikese suurendusega. Materjali mikrostruktuur on mikroskoobi all nähtav struktuur. Riidepuu sisestruktuuri uuritakse röntgendifraktsioonanalüüsi, elektronmikroskoopia jm meetoditega.

Materjali omadused määravad paljuski pooride arvu, suuruse ja iseloomu. Näiteks poorne klaas (vahtklaas), erinevalt tavalisest klaasist, on läbipaistmatu ja väga kerge.

Tahkete osakeste kuju ja suurus mõjutavad ka materjali omadusi. Seega, kui tavalise klaasi sulatisest välja tõmmata õhukesed kiud, saad kerge ja pehme klaasvilla.

Sõltuvalt osakeste kujust ja suurusest ning nende struktuurist võib tahkete ehitusmaterjalide makrostruktuur olla teraline (lahtiteraline või konglomeraatne), rakuline (peenpoorne), kiuline ja kihiline.

Lahtise teraga materjalid koosnevad eraldiseisvatest teradest (liiv, kruus, pulbrilised materjalid mastiksiks "soojusisolatsiooniks ja tagasitäiteks jne).

Konglomeraatstruktuur, kui terad on omavahel kindlalt ühendatud, on tüüpiline erinevatele betoonitüüpidele, teatud tüüpi looduslikele ja keraamilistele materjalidele jne.

Rakulist (peenpoorset) struktuuri iseloomustavad gaasi- ja vahtbetoonile, kärgplastile ja mõnele keraamilisele materjalile iseloomulikud makro- ja mikropoorid.

Kiulised ja kihilised materjalid, milles kiud (kihid) on üksteisega paralleelsed, omavad erinevaid omadusi piki kiude (kihte) ja risti. Seda nähtust nimetatakse anisotroopiaks ja selliste omadustega materjale nimetatakse anisotroopseteks. Kiudstruktuur on omane puidule, mineraalvillatoodetele ning kihiline struktuur on omane kihilise täiteainega rull-, leht-, plaatmaterjalidele (bumoplast, tekstoliit jne).

Amorfsete metallide saamine on võimalik algse kristalse keha purustamisel, et saada amorfne struktuur ("ülevalt-alla" meetod). Tee hõlmab aatomite korrapärase paigutuse rikkumist kristalses kehas kristallile avalduva välismõju tagajärjel ja tahke kristalse keha muutumist tahkeks amorfseks.

Praeguseks on nende radade rakendamiseks teada mitmeid tehnilisi meetodeid (joonis 1). Kuna amorfne metall on termodünaamilises vaatepunktis äärmiselt ebatasakaaluline süsteem, millel on suur üleliigne energia, siis selle tootmine, erinevalt kristalse metalli tootmisest, nõuab mittetasakaalulisi protsesse. Sellel joonisel on metalli faasimuutuste tasakaaluprotsessid kujutatud tahkete nooltega ja amorfse metalli saamise mittetasakaalulised protsessid on kriipsuga.

Joonis 1. Metallide tasakaalu- ja mittetasakaaluseisundite saavutamise meetodid

Nagu ülaltoodud skeemist tuleneb, võib mis tahes tasakaalufaasist saada termodünaamiliselt mittetasakaalu amorfse (ja nanokristallilise) metalli:

kondensatsioon gaasifaasist. Teatud reservatsioonidega võib sellesse rühma lisada ka elektrolüütide lahustest amorfsete kilede elektrolüütilise sadestamise meetodid;

kristallilise oleku amorfiseerimine, lisades kristallidesse suure hulga defekte;

vedela oleku kustutamine metallisulamist.

Esimesed kaks meetodit amorfsete metallide saamiseks - gaasifaasist ja kristalsetest metallidest - ilmusid eelmise sajandi esimesel poolel ja neid on kasutatud suhteliselt pikka aega, kuid need ei kuulu metallurgiatehnoloogiate hulka.

1.1 Elektrolüütide lahustest amorfsete kilede elektrolüütilise sadestamise meetod

Eelkõige kasutatakse üliõhukeste (10-1…101 nm) kilede saamiseks vaakuumsadestamise meetodit, mis põhineb aatomite kaupa virnastamise põhimõttel. Metalli kuumutatakse vaakumis rõhul 10-3...10-9 Pa (soovitavalt võimalikult madala jääkrõhu juures). Sel juhul aurustuvad sulandi pinnalt üksikud aatomid. Vaakumis sirgjooneliselt liikuvad aatomid sadestatakse massiivsele jahutatud plaatsubstraadile. Üksikute aatomite kondenseerumise tulemusena on nende üleliigsel energial aega substraadis neelduda kiirusega, mis vastab jahutuskiirusele 109–1013 K/s ja on piisav puhaste metallide amorfse oleku saamiseks. Sel juhul tuleb puhaste siirdemetallide amorfsete kilede saamiseks substraat jahutada vedela heeliumi temperatuurini.

Vaakuumsadestamise teel saadakse raua, nikli, koobalti, mangaani, kroomi, alumiiniumi, vanaadiumi, pallaadiumi, tsirkooniumi, hafniumi, reeniumi, boori, tantaali, volframi, molübdeeni, telluuri, antimoni, gadoliiniumi, arseeni ja muude elementide amorfsed kiled. Sadestunud kilede kristalliseerumistemperatuur ja termiline stabiilsus sõltuvad nende paksusest. Seega kristalliseerub 2,5 nm paksune raudkile juba 50...60 K juures ja 15 nm kilepaksusega pole amorfses olekus rauda üldse võimalik saada.

Meetodi puuduseks on see, et aluspinnal kondenseeruvad samaaegselt sadestatud metalli aatomitega ka sadestuskambri atmosfääris olevate jääkgaaside aatomid. Seetõttu sõltuvad ladestunud kile koostis ja omadused eraldumise astmest ja jääkgaaside koostisest.

Amorfse struktuuri saamiseks saab vedela metalli ülikõrgeid jahutuskiirusi rakendada mitmel viisil. Ühine on vajadus tagada jahutuskiirus vähemalt 10 K/s. Tuntud on meetodid tilga katapulteerimiseks külmale plaadile, joa pihustamiseks gaasi või vedelikuga, tilga või joa tsentrifuugimiseks, metallpinna õhukese kile sulatamiseks laseriga koos mitteväärismetalli massi kiire kuumuse eemaldamisega. , ülikiire jahutamine gaasilisest keskkonnast jne. Nende meetodite kasutamine võimaldab saada erineva laiuse ja paksusega teipi, traati ja pulbreid.

Vastuvõttev lint.

Kõige tõhusamad meetodid amorfse teibi tööstuslikuks tootmiseks on vedela metalli joa jahutamine pöörlevate trumlite välispinnal (kettal kõvastumine) või sisemisel (tsentrifugaalkõvenemine) pinnal või sulatise rullimine kõrge termilise temperatuuriga materjalidest valmistatud külmrullide vahel. juhtivus.

Joonisel fig. 1 on näidatud nende meetodite skemaatilised diagrammid. Induktsioonahjus saadud sula pressitakse neutraalgaasi abil düüsist välja ja see tahkub kokkupuutel pöörleva jahutatud keha (külmiku) pinnaga. Erinevus seisneb selles, et tsentrifugaalkarastamise ja kettal karastamise meetodite puhul jahutatakse sulam ainult ühelt poolt. Peamine probleem on külmikuga mitte kokku puutuva välispinna piisava puhtuse saavutamine. Sulavaltsimise meetod võimaldab saada head kvaliteeti lindi mõlemal pinnal, mis on eriti oluline magnetsalvestuspeade jaoks kasutatavate amorfsete lintide puhul. Igal meetodil on omad piirangud lintide suurusele, kuna erinevusi on nii tahkumisprotsessi käigus kui ka meetodite riistvaralises disainis.

Riis. 1. Meetodid õhukese riba saamiseks sulatuskarastusega:

a - tsentrifugaalkarastamine; b - kõvastumine kettal; sisse - sulavalt valtsimine; G - tsentrifugaalkarastamine; d - planeetide allalaadimine kettale

Riis. 2 . Seadmed kõvastuslindi kokkupuuteaja pikendamiseks kettaga: a - gaasijugade kasutamine;

b - kinnitusrihma kasutamine

Kui tsentrifugaalkarastamisel on lindi laius kuni 5 mm, siis rullides saadakse 10 mm või rohkem laiused teibid. Lihtsamat aparaati vajav kettakarastusmeetod võimaldab lindi laiust laias vahemikus varieerida, olenevalt sulatustiiglite suurusest. See meetod võimaldab toota nii kitsaid linte laiusega 0,1-0,2 mm kui ka laiu kuni 100 mm ning laiuse säilitamise täpsus võib olla ± 3 mikronit. Arendatakse tehaseid, mille maksimaalne tiigli võimsus on kuni 50 kg.

Kõigis vedelast olekust karastamise paigaldustes tahkub metall kiiresti, levides õhukese kihina üle pöörleva külmiku pinna. Konstantse sulami koostise korral sõltub jahutuskiirus sulatise paksusest ja jahuti omadustest. Jahutil oleva sulandi paksuse määrab selle pöörlemiskiirus ja sulatise väljavoolu kiirus, see tähendab, et see sõltub düüsi läbimõõdust ja gaasi rõhust sulatisele. Väga oluline on ketta sulatusnurga õige valik, mis võimaldab pikendada metalli ja jahuti vahelise kokkupuute kestust. Jahutuskiirus sõltub ka sulati enda omadustest: soojusjuhtivus, soojusmahtuvus, viskoossus, tihedus.

Kõveneva metalli kokkupuute kestust kettaga saab pikendada spetsiaalsete seadmete abil: gaasijoad, mis suruvad teibi kettale või liiguvad kettaga sama kiirusega vasesulamist valmistatud rihma ja berüllium (joon. 13.34). Seega sõltub amorfse lindi maksimaalne paksus sulami kriitilisest jahutuskiirusest ja karastusseadme võimalustest. Kui paigaldises rakendatav jahutuskiirus on kriitilisest väiksem, siis metalli amorfiseerumist ei toimu.

Riis. 3 . Meetodid sulatisest karastatud õhukese traadi saamiseks:

a - sulatise tõmbamine läbi jahutusvedeliku (sulati väljapressimine); b - keerme välja tõmbamine pöörlevast trumlist; sisse - sulatise venitamine klaaskapillaaris; 1 - sulatada; 2 - jahutusvedelik; 3 - klaas; 4 - otsik; 5 - traadi mähis

Traadi hankimine.

Peenikese amorfse traadi saamiseks kasutatakse erinevaid meetodeid kiudude väljatõmbamiseks sulatisest.

Esimesel meetodil (joonis 3, a) sulametall tõmmatakse ringikujulises torus läbi soolade vesilahuse. Teises (joon. 3. b) - sulametalli juga langeb pöörleva trumli sisepinnal tsentrifugaaljõu toimel hoitavasse vedelikku: tahkunud niit keritakse seejärel pöörlevast vedelikust lahti. Tuntud on meetod, mis seisneb amorfse traadi saamises sulatise võimalikult kiire venitamise teel klaaskapillaaris (joonis 3, sisse). Seda meetodit nimetatakse ka Taylori meetodiks. Kiud saadakse sulatise üheaegsel tõmbamisel klaastoruga, kusjuures kiu läbimõõt on 2-5 mikronit. Peamiseks raskuseks on siin kiu eraldamine seda katvast klaasist, mis loomulikult piirab selle meetodiga amorfiseeritud sulamite koostist.

Pulbrite hankimine.Amorfsete sulamite pulbrite tootmiseks saab kasutada puistemetallipulbrite valmistamise meetodeid ja seadmeid.

Joonisel fig. 4 kujutab skemaatiliselt mitmeid meetodeid amorfsete pulbrite saamiseks suurtes kogustes. Nende hulgas tuleks kõigepealt märkida väljakujunenud pihustusmeetodid.

Tuntud amorfsete pulbrite valmistamiseks kavitatsioonimeetodil, mida rakendatakse sulatise rullides rullimisel ja sulatise pihustamisel pöörleva kettaga. Kavitatsioonimeetodil (joonis 4, b) sulanud

Riis. 4. Amorfsete pulbrite saamise meetodid:

a - pihustusmeetod (pihustusmeetod); b - kavitatsiooni meetod; sisse - pöörleva kettaga sulandi pihustamise meetod; 1 - pulber; 2 – lähteaine: 3 - otsik; neli - jahutusvedelik; 5 - jahutatud plaat

metall pressitakse välja kahe rulli vahelises vahes (0,2-0,5 mm), mis on valmistatud näiteks grafiidist või boornitriidist. Toimub kavitatsioon - sulatis väljutatakse rullide abil pulbri kujul, mis langeb jahutatud plaadile või jahutusvee lahusesse. Rullide vahes tekib kavitatsioon, mille tulemusena kaovad metallis olevad gaasimullid. Pöördketta pihustusmeetod (joonis 4, sisse) põhimõtteliselt sarnaneb see eelnevalt kirjeldatud õhukese traadi valmistamise meetodiga, kuid siin pihustatakse vedelikku sattunud sulametall selle turbulentse liikumise tõttu. Seda meetodit kasutades saadakse pulber graanulite kujul, mille läbimõõt on umbes 100 mikronit.

ESITLUS

distsipliin: Nanoosakeste ja nanomaterjalide saamise protsessid

teemal: "Nanomaterjalide saamine tahkisteisenduste abil"

Lõpetatud:

Õpilane gr. 4301-11

Mukhamitova A.A.

Kaasan, 2014

	SISSEJUHATUS
1.
	1.1.	MEETOD ELEKTROLÜÜDILAHUSTEST AMORFUSKILEDE ELEKTROLÜTILISEKS SADESTAMISEKS
	1.2.	KRISTALLIOLUKORRA AMORFISEERIMINE KRISTALLIdesse SUURUSE ARVAMUSE DEFEKTE SISESTAMISEGA
	1.3.	Intensiivne PLASTIDE DEFORMATSIOON
	1.4.	VEDELIKAVANDUS
2.	NANOMATERJALIDE SAAMISE MEETOD EELISED JA MIINUSED TAHKEFAASI TRANSFORMATIONE
	KOKKUVÕTE
	KASUTATUD KIRJANDUSE LOETELU

SISSEJUHATUS

Hiljuti on nanomaterjalide saamiseks välja töötatud mitmeid meetodeid, mille puhul dispergeerimine viiakse läbi tahkes aines agregatsiooni olekut muutmata.

Kontrollitud kristalliseerumine amorfsest olekust on üks viise massiivsete nanomaterjalide saamiseks. Meetod seisneb amorfse materjali saamises näiteks vedelast olekust karastamise teel ja seejärel selle kristallimises kontrollitud kuumutamistingimustes.

Amorfseteks nimetatakse tahkes olekus olevaid metalle, milles aatomite paigutuses puudub kaugjärjestus, mis on metallidele omane tavalises, s.o. kristalne olek. Sellises olekus metallide iseloomustamiseks kasutatakse ka termineid "metallklaas", harvemini - "mittekristallilised metallid". Amorfne olek on tahkete metallisüsteemide termodünaamilise ebastabiilsuse piirav juhtum, mis on vastupidine defektideta kristalli termodünaamilisele olekule.

Inimkond on tuhandeid aastaid kasutanud tahkeid metalle eranditult kristalses olekus. Alles 1930. aastate lõpus püüti vaakuumsadestamise teel saada kõige õhemate kilede kujul mittekristallilisi metallkatteid. 1950. aastal saadi lahustest elektrosadestamise meetodil Ni-P sulami amorfne kile. Selliseid kilesid kasutati kõvade, kulumis- ja korrosioonikindlate kattekihtidena.

Olukord muutus oluliselt, kui 1960. aastal avastati meetod amorfsete metallisulamite saamiseks vedelas olekus karastamise teel ja 1968. aastal meetod sulandi kustutamiseks pöörleva ketta pinnal, et saada suurest (sadu) amorfset linti. meetrit) pikkus. See avas võimaluse amorfsete metallide suuremahuliseks tootmiseks nende suhteliselt madalate kuludega ja tõi kaasa amorfsete sulamite valdkonna uuringute plahvatusliku kasvu.

Tänapäeval toodetakse umbes 80% tööstuslikest amorfsetest sulamitest nende ainulaadsete magnetiliste omaduste tõttu. Neid kasutatakse pehmete magnetiliste materjalidena, mis ühendavad endas isotroopsed omadused, kõrge magnetilise läbilaskvuse, kõrge küllastusinduktsiooni ja väikese sunnijõu. Neid kasutatakse magnetekraanide, magnetfiltrite ja separaatorite, andurite, salvestuspeade jms valmistamiseks. Amorfsetest sulamitest valmistatud trafosüdamikke iseloomustavad kitsast hüstereesiahelast tingitud väga väikesed ümbermagnetiseerimiskaod, samuti kõrge elektritakistus ja õhuke amorfne lint, mis vähendab pöörisvooludega kaasnevaid kadusid.

Viimasel ajal, ligikaudu 20. sajandi 90ndate keskpaigast, on märgatavalt kasvanud huvi erinevate materjalide, sealhulgas metallide, nanomõõtmetega (1...100 nm) struktuurielementide vastu. Sellise suurusega struktuursete moodustiste, eriti kristallide korral suureneb oluliselt pinnaosakeste osakaal, mille vastasmõju erineb osakeste mahtude sees paiknevatest osakestest. Seetõttu võivad sellistest osakestest moodustunud materjalide omadused oluliselt erineda sama koostisega, kuid suuremate struktuuriüksustega materjalide omadustest. Selliste materjalide ja nende tootmismeetodite iseloomustamiseks on ilmunud ja laialdaselt kasutatud eritermineid nanomaterjalid, nanotehnoloogiad, nanotööstus.

Tänapäeva mõistes on nanomaterjalid teatud tüüpi tooted, mis sisaldavad nanomeetriliste mõõtmetega struktuurielemente, mille olemasolu tagab olulise paranemise või kvalitatiivselt uute mehaaniliste, keemiliste, füüsikaliste, bioloogiliste ja muude omaduste ilmnemise, mille määravad nanomõõtmeliste tegurite ilming. Ja nanotehnoloogiad on meetodite ja tehnikate kogum, mida kasutatakse struktuuride, seadmete ja süsteemide uurimisel, projekteerimisel, tootmisel ja kasutamisel, sealhulgas nende nanomõõtmete kuju, suuruse, integreerimise ja interaktsiooni sihipärane juhtimine ja muutmine (1 ... 100 nm) elemente uute keemiliste, füüsikaliste ja bioloogiliste omadustega objektide saamiseks. Sellest lähtuvalt on nanotööstus nanomaterjalide tootmine, mis rakendab nanotehnoloogiaid. Seoses metallidega kasutatakse terminit "nanokristalliline" tavaliselt metallide tähistamiseks, mille kristallide suurus jääb ülaltoodud nanomeetri vahemikku.

Nanomaterjalide, nanotehnoloogiate arendamine ja kontrollitud nanomõõtmeliste struktuuridega objektide kasutamine on saanud suures osas võimalikuks tänu uurimisinstrumentide ja otseste meetodite tekkimisele objektide uurimiseks aatomitasandil. Näiteks kaasaegsed ülekandeelektronmikroskoobid, mille suurendus on suurusjärgus 1,5x10 6, võimaldavad visuaalselt jälgida aatomi struktuuri.

Nanostruktureeritud materjalide, sealhulgas metallide saamiseks on erinevaid viise. Näiteks saab metallist puistetoorikust nanostruktuuri, kui lihvida tavalisi kristalle nanomõõtmelisteks. Seda on võimalik saavutada eelkõige tugeva plastilise deformatsiooniga. Deformeerimise teel struktuuri täpsustamise meetodid ei võimalda aga saada nanokristallseid metalle tööstuslikus mastaabis ega kuulu traditsiooniliste metallurgiatehnoloogiate hulka.

Samas on metalli nanokristallilist ja ka amorfset struktuuri võimalik saada ka traditsiooniliste metallurgiliste meetoditega, eelkõige sulatise kiire jahutamisega. Sõltuvalt vedela oleku karastustingimustest on struktuuri moodustamiseks kolm võimalust:

· nanokristalliseerimine vahetult sulatuskustutusprotsessis (tavalise kiirendatud kristallimise piirjuhtum, mille tulemusel saadakse mitte ainult peeneteraline, vaid nanostruktuur);

· sulatuskustutusprotsessis toimub osaline kristalliseerumine, nii et moodustub liitstruktuur amorf-kristalliline;

· kõvenemisel tekib amorfne struktuur, järgneval lõõmutamisel nanokristalliline struktuur.

Nanokristallilisi ja ka amorfseid metalle, mis saadakse vedelas olekus karastamise teel, kasutatakse samuti peamiselt ainulaadsete omadustega magnetiliste ja elektriliste materjalidena. Neid kasutatakse pehmete ja kõvade magnetiliste materjalidena, juhtidena, pooljuhtidena, dielektrikutena jne.

Eelkõige on laialdast rakendust leidnud Finemeti tüüpi pehmed magnetsulamid. Need on Fe-Si-B süsteemi nanokristallilised sulamid, millele on lisatud Cu ja Nb või muid tulekindlaid metalle. Sulamid saadakse amorfse oleku osalise kristallimise teel. Nende struktuur koosneb 10...30 nm suurustest ferromagnetilistest kristalliitidest, mis on jaotunud amorfses maatriksis, mis moodustab 20 kuni 40% mahust. Finemet-tüüpi sulamitel on väga väike sundjõud, kõrge magnetiline läbilaskvus ja magnetiseeritus, väikesed ümbermagnetiseerimiskaod, ületades oma omaduste poolest teisi pehmeid magnetsulameid, sealhulgas amorfseid.

Laialdaselt kasutatakse ka Fe-Nd-B, Fe-Sm-N süsteemide magnetiliselt kõvasid nanokristallilisi sulameid. Kuna paljud magnetmaterjalid (Fe–Si, Fe–Nd–B) on rabedad, ei paranda tera suuruse vähenemine mitte ainult nende magnetilisi omadusi, vaid suurendab ka plastilisust.

AMORFMETALLIDE TOOTMISVIISID

Joonis 1. Metallide tasakaalu- ja mittetasakaaluseisundite saavutamise meetodid

Nagu ülaltoodud skeemist tuleneb, võib mis tahes tasakaalufaasist saada termodünaamiliselt mittetasakaalu amorfse (ja nanokristallilise) metalli:

kondensatsioon gaasifaasist. Teatud reservatsioonidega võib sellesse rühma lisada ka elektrolüütide lahustest amorfsete kilede elektrolüütilise sadestamise meetodid;

kristallilise oleku amorfiseerimine, lisades kristallidesse suure hulga defekte;

vedela oleku kustutamine metallisulamist.