Сучасні методи отримання аморфних матеріалів. Перспективи використання аморфних матеріалів

При повільному охолодженні нижче точки кристалізації рідина виявляється у переохолодженому стані. Цей стан рідини є метастабільним, тобто через деякий час вона повинна перейти в кристалічний стан, який нижче за точку кристалізації є енергетично вигідним. Якщо кристалізація рідини відбулася, то скло спостерігати вже не вдасться. Однак якщо кристалізація рідини з якихось причин утруднена, тобто час життя метастабільного стану досить велике, то при досить швидкому охолодженні переохолодженої рідини її в'язкість швидко зростає і вона переходить у твердий аморфний стан.

Перехід зі склоподібного стану в кристалічний хоч і можливий, але пов'язаний з великими часом очікування, а в багатьох випадках практично не спостерігається.

Можливість отримання склоподібного стану речовини визначається тим, наскільки легко відбувається його кристалізація. За цією ознакою речовини можна умовно поділити на три групи. До першої групи належать багато органічних полімерних рідин. Кристалізація таких рідин утруднена через малу рухливість її довгих полімерних молекул, що знаходяться в складному переплетеному стані. Навіть при дуже повільному охолодженні такої рідини вона не кристалізуючись доходить до температур, за яких відбувається її склування. Такі рідини іноді називають природно аморфними. Природно аморфними є багато при-

рідні смоли. Другу групу утворюють речовини, які добре піддаються як кристалізації (при повільному темпі охолодження), і склування. Класичним прикладом є гліцерин. Для таких речовин можна проводити вимірювання характеристик кристала, так і переохолодженої рідини при однакових температурах, що виявляється важливим для розуміння природи склування. Рідини першої та другої груп називають склоутворюючими. До третьої групи відносяться речовини, що легко кристалізуються, для яких існування склоподібного стану довго вважалося неможливим. Класичним прикладом таких речовин можна вважати чисті метали та різні сплави. Однак останнім часом з'явилися методи одержання надшвидкого охолодження до 108 К/с. При такому швидкому охолодженні вдалося отримати аморфний стан багатьох металів та сплавів.

4.2 Методи одержання аморфних металевих матеріалів

Методи одержання аморфних матеріалів умовно можна розбити на три групи:

Охолодження з надвисокими швидкостями (105-107К\с) розплавленого металу (загартування з рідкого стану). Сюди відносяться вистрілювання краплі розплаву на теплопровідну підкладку (холодильник), розплющування краплі між мідними пластинами, лиття струменя металевого розплаву на обертовий холодильник (диск або барабан), прокатка струменя розплаву між валками, наморожування тонкого шару розплаву на кромці швидкообертового в матеріалу. Такими способами одержують стрічку, порошки, волокна із металевих сплавів.

Осадження металів з газової (парової) фази на підкладку, що охолоджується. Сюди належать термічне випаровування, іонне розпилення, плазмове напилення тощо. Цим методам властива висока швидкість загартування, що дозволяє формувати аморфний стан також і для сплавів, що не аморфізуються при загартуванні з розплаву. Недоліками цих методів є низька продуктивність, складність та дорожнеча обладнання.

Руйнування кристалічної структури твердого тіла за рахунок зовнішніх впливів. Тут найбільший інтерес є іонна імплантація, за допомогою якої можна отримати аморфні шари на готових виробах з деяких металів.

Загальною особливістю 1-х методів є створення умов для швидкого охолодження розплаву, які запобігали б процес кристалізації. Практика показує, що запобігти кристалізації та зафіксувати склоподібний стан можна шляхом дотику рідкого розплаву з металевою холодною підкладкою, яка повинна виготовлятися з матеріалу, що має хорошу теплопровідність. Зазвичай з цією метою застосовують мідь, берилієву бронзу, латунь. Розплав нагрівають індукційним нагрівальним пристроєм чи піччю опору.

Існує кілька головних умов, виконання яких дозволяє отримати аморфний сплав за допомогою гарту з рідкого стану при кімнатній температурі та звичайному атмосферному тиску:

Об'ємна швидкість течії розплаву через отвір сопла на поверхню диска, що обертається, повинна бути постійною протягом всього часу формування аморфного сплаву.

Перебіг розплавленого струменя повинен бути стабільним і захищений від впливу дрібних частинок пилу і неконтрольованих потоків повітря, що створюються частинами апаратури, що обертаються.

Поверхня диска, що утворює, повинна бути добре відполірована і мати хороший механічний і тепловий контакт з розплавленим струменем.

Останніми роками для отримання аморфних структур став застосовуватися метод високошвидкісного іонно-плазмового розпилення на підкладку матеріалу. Швидкість розпилення залежить як від напруги, і від щільності іонного струму, що надходить на цель. Розпилювані атоми залишають мету. Частина атомів потрапляє на підкладку і осідає на ній, а частина губиться на спеціальних екранах. Розпорошення проводять у 2 етапи:

Попереднє. Її цілями є: 1 знімається верхній забруднений шар мішені; 2- на екранах осаджується плівка речовини, що розпилюється, яка може служити геттером і т.ч. у сфері підкладки створюється область зі зниженим вмістом домішок; 3- процес розпилення набуває більш стаціонарний характер і склад осаджуваного шару буде відповідати складу мішені тільки після закінчення деякого часу, при якому відбувається вирівнювання складу атомів, що розпилюються. Після закінчення попередньо розпилення протягом декількох хвилин проводять іонне очищення підкладки шляхом подачі на неї негативного потенціалу 100В. Потім починається розпорошення у робочому режимі. Цей метод дозволяє створити аморфні структури складного складу завтовшки до 1 см.

Також для отримання аморфних металів в даний час використовують лазерне випромінювання, яке дозволяє швидко нагрівати метал, і забезпечує охолодження розплаву зі швидкістю не менше 105 -106 К/с. При швидкому розплавленні виникає гомогенна рідина, яка після затвердіння перетворюється на т.зв. скло з незвичайними фізико-механічними властивостями. Процес утворення на поверхні металевих матеріалів подібної структури отримав назву лазерного склювання.

За взаємним розташуванням атомів і молекул матеріали можуть бути кристалічними та аморфними. Неоднакова будова кристалічних і аморфних речовин визначає і різницю у властивостях. Аморфні речовини, володіючи невитраченою внутрішньою енергією кристалізації, хімічно активніші, ніж кристалічні такого складу (наприклад, аморфні форми кремнезему: пемза, трепел, діатоміти порівняно з кристалічним кварцем).

Істотна відмінність між аморфними та кристалічними речовинами полягає в тому, що кристалічні речовини при нагріванні (при постійному тиску) мають певну температуру плавлення. А аморфні-розм'якшуються і поступово переходять у рідкий стан. Міцність аморфних речовин, як правило, нижча за кристалічні, тому для отримання матеріалів підвищеної міцності спеціально проводять кристалізацію, наприклад, при отриманні склокристалічного матеріалу-ситалу.

Неоднакові властивості можуть спостерігатися у кристалічних матеріалів однієї й тієї ж складу, якщо вони формуються у різних кристалічних формах, званих модифікації(явище поліморфізму). Наприклад, поліморфні перетворення кварцу супроводжуються зміною обсягу. Зміною властивостей матеріалу шляхом зміни кристалічних грат користуються при термічній обробці металів (загартуванні або відпустці).

-Вплив складу та будови матеріалів з їхньої характеристики. Типи будівельних матеріалів.

Властивості будматеріалів більшою мірою пов'язані з особливостями їхньої будови та з властивостями тих речовин, з яких цей матеріал складається. У свою чергу, будова матеріалу залежить: для природних матеріалів - від їхнього походження та умов освіти, для штучних - від технології виробництва та обробки матеріалу. Тому будівельнику щодо курсу будівельних матеріалів необхідно передусім засвоїти цей зв'язок. При цьому технологію та обробку матеріалів слід розглядати з погляду впливу їх на будову та властивості одержуваного матеріалу.

Будівельний матеріал характеризується хімічним, мінеральним та фазовим складами.

Залежно від хімічного складу всі будматеріали ділять на: органічні (деревні, бітум, пластмаси тощо), мінеральні (бетон, цемент, цегла, природний камінь тощо) та метали (сталь, чавун, алюміній). Кожна з цих груп має особливості. Так, всі органічні матеріали горючі, а мінеральні – вогнестійкі; метали добре проводять електрику та теплоту. Хімічний склад дозволяє судити і про інші технічні характеристики (біостійкість, прочпоста і т. д.). Хімічний склад деяких матеріалів (неорганічні в'яжучі речовини, кам'яні матеріали) часто виражають кількістю оксидів, що містяться в них.

Оксиди, що хімічно пов'язані між собою, утворюють мінерали, які характеризують мінеральний склад матеріалу. Знаючи мінерали та їх кількість у матеріалі, можна судити про властивості матеріалу. Наприклад, здатність неорганічних в'яжучих речовин твердіти і зберігати міцність у водному середовищі, обумовлена присутністю в них мінералів силікатів, алюмінатів, феритів кальцію, причому при їх великій кількості прискорюється процес твердіння і підвищується міцність цементного каменю.

При характеристиці фазового складу матеріалу виділяють: тверді речовини, що утворюють стінки пор («каркас» матеріалу), та пори, заповнені повітрям та водою. Фазовий склад матеріалу та фазові переходи води в його порах впливають на всі властивості та поведінку матеріалу при експлуатації.

Не менший вплив на властивості матеріалу надають його макро- та мікроструктура та внутрішню будову речовин, що складають матеріал, на молекулярно-іонному рівні.

Макроструктура матеріалу - будова, видима неозброєним оком або за невеликого збільшення. Мікроструктура матеріалу – будова, видима під мікроскопом. Внутрішню будову вішаєте вивчають методами рентгеноструктурного аналізу, електронної мікроскопії тощо.

Багато в чому властивості матеріалу визначають кількість, розмір та характер пір. Наприклад, пористе скло (піноскло) на відміну від звичайного непрозоре і дуже легке.

Форма та розмір частинок твердої речовини також впливають на властивості матеріалу. Так, якщо з розплаву звичайного скла витягнути тонкі волокна, то вийде легка та м'яка скляна вата.

Залежно від форми та розміру частинок та їх будови макроструктура твердих будівельних матеріалів може бути зернистою (рихлозернистою або конгломератною), комірчастою (дрібнопористою), волокнистою та шаруватою.

Рихлозернисті матеріали складаються з окремих, не пов'язаних одне з одним зерен (пісок, гравій, порошкоподібні матеріали для мастичної теплоізоляції та засипок та ін.).

Конгломератна будова, коли зерна міцно з'єднані між собою, характерна для різних видів бетону, деяких видів природних та керамічних матеріалів та ін.

Комірчаста (дрібнкопориста) структура характеризується наявністю макро- і мікропор, властивих газо- і пінобетону, комірчастим пластмасам, деяким керамічним матеріалам.

Волокнисті і шаруваті матеріали, у яких волокна (шари) розташовані паралельно одне одному, мають різні властивості вздовж і поперек волокон (шарів). Це називається анізотропією, а матеріали, які мають такі властивості, - анізотропними. Волокниста структура властива деревині, виробам з мінеральної вати, а шарувата - рулонним, листовим, плитним матеріалам із шаруватим наповнювачем (бумопласт, текстоліт та ін.).

Отримання аморфних металів можливе дробленням вихідного кристалічного тіла з отриманням аморфної структури (шлях «згори донизу»). Шлях передбачає порушення регулярного розташування атомів у кристалічному тілі внаслідок зовнішніх впливів на кристал і перетворення твердого кристалічного тіла на тверде аморфне.

На сьогодні відомо кілька технічних способів реалізації цих шляхів (рис.1). Оскільки аморфний метал з термодинамічної точки зору є вкрай нерівноважною системою, що володіє великою надлишковою енергією, його отримання, на відміну отримання кристалічного металу, вимагає проведення нерівноважних процесів. На цьому малюнку рівноважні процеси фазових перетворень металу представлені суцільними стрілками, а нерівноважні процеси одержання аморфного металу – штриховими.

Рис.1. Методи досягнення рівноважних та нерівноважних станів металів

Як випливає із наведеної схеми, термодинамічно нерівноважний аморфний (і нанокристалічний) метал можна отримати з будь-якої рівноважної фази:

конденсацією із газової фази. З деякими застереженнями до цієї групи можуть бути віднесені методи електролітичного осадження аморфних плівок з розчинів електролітів;

аморфізацією кристалічного стану шляхом введення у кристали великої кількості дефектів;

загартуванням рідкого стану з металевого розплаву.

Два перші методи одержання аморфних металів – з газової фази та кристалічних металів – з'явилися ще в першій половині минулого століття і використовуються відносно давно, але вони не належать до металургійних технологій.

1.1.Метод електролітичного осадження аморфних плівок з розчинів електролітів

Зокрема метод вакуумного напилення, заснований на принципі укладання атома до атома, використовується для отримання ультратонких (10-1...101 нм) плівок. Метал нагрівають у вакуумі при тиску 10-3 ... 10-9 Па (переважно при мінімально можливому залишковому тиску). При цьому з поверхні розплаву випаровуються окремі атоми. Атоми, що рухаються у вакуумі прямолінійно, осаджуються на масивну охолоджувану плиту-підкладку. В результаті конденсації одиночних атомів їх надлишкова енергія встигає поглинатися підкладкою зі швидкістю, що відповідає швидкості охолодження 109...1013 К/с і достатньої для одержання аморфного чистих металів. При цьому для отримання аморфних плівок чистих перехідних металів підкладка має бути охолоджена до температури рідкого гелію.

Методом вакуумного напилення отримують аморфні плівки заліза, нікелю, кобальту, марганцю, хрому, алюмінію, ванадія, паладію, цирконію, гафнію, ренію, борію, танталу, вольфраму, молібдену, телуру, сурми, гадолінію. Температура кристалізації та термічна стабільність напилених плівок залежить від їхньої товщини. Так, плівка заліза товщиною 2,5 нм кристалізується вже при 50...60 К, а при товщині плівки 15 нм отримати залізо в аморфному стані взагалі не вдається.

Недоліком методу є і те, що на підкладці одночасно з атомами металу, що напилюється, конденсуються атоми залишкових газів, присутніх в атмосфері камери напилення. Тому склад та властивості напиленої плівки залежать від ступеня розрідження та складу залишкових газів.

Надвисокі швидкості охолодження рідкого металу для отримання аморфної структури можна реалізувати різними способами. Спільним у яких є необхідність забезпечення швидкості охолодження не нижче 10 К/с. Відомі методи катапультування краплі на холодну пластину, розпилення струменя газом або рідиною, центрифугування краплі або струменя, розплавлення тонкої плівки поверхні металу лазером з швидким відведенням тепла масою основного металу, надшвидкого охолодження з газового середовища та ін. Використання цих методів стрічку різної ширини та товщини, дріт та порошки.

Отримання стрічки.

Найбільш ефективними способами промислового виробництва аморфної стрічки є охолодження струменя рідкого металу на зовнішній (загартування на диску) або внутрішньої (відцентрове гартування) поверхнях обертових барабанів або прокатка розплаву між холодними валками, виготовленими з матеріалів з високою теплопровідністю.

На рис. 1 наведено важливі схеми цих методів. Розплав, отриманий в індукційній печі, видавлюється нейтральним газом з сопла і твердне при зіткненні з поверхнею обертається охолоджуваного тіла (холодильника). Відмінність полягає в тому, що в методах відцентрового гарту та гарту на диску розплав охолоджується тільки з одного боку. Основною проблемою є отримання достатнього ступеня чистоти зовнішньої поверхні, яка не стикається з холодильником. Метод прокатки розплаву дозволяє отримати хорошу якість обох поверхонь стрічки, що особливо важливо для аморфних стрічок, які використовуються для головок магнітного запису. Для кожного методу є свої обмеження за розмірами стрічок, оскільки є відмінності і в процесі затвердіння, і в апаратурному оформленні методів.

Рис. 1. Методи отримання тонкої стрічки шляхом загартування з розплаву:

а - відцентрове загартування;б - загартування на диску;в - прокатка розплаву;г - відцентрове загартування;д - планетарне закачування на диску

Рис. 2 . Пристрої для збільшення часу контакту стрічки, що твердне з диском:а - Використання газових струменів;

б - застосування притискного ременя

Якщо при відцентровому загартуванні ширина стрічки становить до 5 мм, прокаткою отримують стрічки шириною 10 мм і більше. Метод гарту на диску, для якого потрібна простіша апаратура, дозволяє в широких межах змінювати ширину стрічки в залежності від розмірів плавильних тиглів. Даний метод дозволяє виготовляти як вузькі стрічки шириною 0,1-0,2 мм, так і широкі - до 100 мм, причому точність підтримки ширини може бути ± 3 мкм. Розробляються установки із максимальною місткістю тигля до 50 кг.

У всіх установках для гартування з рідкого стану метал швидко твердне, розтікаючись тонким шаром по поверхні холодильника, що обертається. За сталості складу сплаву швидкість охолодження залежить від товщини розплаву та характеристик холодильника. Товщина розплаву на холодильнику визначається швидкістю його обертання і швидкістю закінчення розплаву, тобто залежить від діаметра сопла і тиску газу на розплав. Велике значення має правильний вибір кута подачі розплаву на диск, що дозволяє збільшити тривалість контакту металу з холодильником. Швидкість охолодження залежить від властивостей самого розплаву: теплопровідності, теплоємності, в'язкості, щільності.

Збільшення тривалості контакту твердне металу з диском може бути досягнуто за допомогою спеціальних пристроїв: газових струменів, що притискають стрічку до диска або рухається з однаковою швидкістю з диском ременя зі сплаву міді з бериллієм (рис. 13.34). Таким чином, максимальна товщина аморфної стрічки залежить від критичної швидкості охолодження сплаву та можливостей установки для загартування. Якщо швидкість охолодження, що реалізується в установці, менша критичної, то аморфізація металу не відбудеться.

Рис. 3 . Методи отримання тонкого дроту, загартованого з розплаву:

а - протягування розплаву через охолоджувальну рідину (екструзія розплаву);б - витягування нитки з барабана, що обертається;в - витягування розплаву у скляному капілярі; 1-розплав; 2 - охолодна рідина; 3 – скло; 4 – форсунка; 5 - Змотування дроту

Отримання дроту.

Для отримання тонкого аморфного дроту використовують різні методи витягування волокон із розплаву.

У першому методі (рис. 3,а) розплавлений метал простягається у трубці круглого перерізу через водний розчин солей. У другому (рис. 3).б) - струмінь розплавленого металу падає в рідину, що утримується відцентровою силою на внутрішній поверхні обертового барабана: затверділа нитка змотується потім з рідини, що обертається. Відомий метод, що складається в отриманні аморфного дроту шляхом максимально швидкого витягування розплаву скляному капілярі (рис. 3,в). Цей метод називають методом Тейлора. Волокно виходить при протягуванні розплаву одночасно зі скляною трубкою, при цьому діаметр волокна становить 2-5 мкм. Головна труднощі тут полягає у відділенні волокна від скла, що покриває, що, звичайно, обмежує склади сплавів, що аморфізуються даним методом.

Одержання порошків.Для виробництва порошків аморфних сплавів можна скористатися методами та обладнанням, що застосовується для виготовлення об'ємних металевих порошків.

На рис. 4 схематично показано кілька методів, що дозволяють у великих кількостях одержувати аморфні порошки. Серед них у першу чергу слід зазначити добре зарекомендували себе методи розпилення.

Відомо виготовлення аморфних порошків кавітаційним методом, що реалізується прокаткою розплаву у валках, і методом розпилення розплаву диском, що обертається. У кавітаційному методі (рис. 4,б) розплавлений

Рис. 4. Методи одержання аморфних порошків:

а - метод розпилення (спрей-метод);б - кавітаційний метод;в - метод розпилення розплаву обертовим диском; 1 - Порошок; 2 - вихідна сировина: 3 – форсунка; 4 - охолоджуюча рідина; 5 - охолоджувана плита

метал видавлюється в зазорі між двома валками (0,2-0,5 мм), виготовленими, наприклад, з графіту або нітриду бору. Відбувається кавітація-розплав викидається валками у вигляді порошку, який потрапляє на охолоджену плиту або в охолодний водний розчин. Кавітація виникає в зазорі між валками, внаслідок чого зникають бульбашки газу, що є в металі. Метод розпилення диском, що обертається (рис. 4,в) в принципі аналогічний раніше описаному методу виготовлення тонкого дроту, але тут розплавлений метал, потрапляючи в рідину, розбризкується за рахунок її турбулентного руху. За допомогою цього методу одержують порошок у вигляді гранул діаметром близько 100 мкм.

ПРЕЗЕНТАЦІЯ

з дисципліни: Процеси отримання наночастинок та наноматеріалів

на тему: «Отримання наноматеріалів із використанням твердофазних перетворень»

Виконав:

Студент гр. 4301-11

Мухамітова А.А.

Казань, 2014

	ВСТУП
1.
	1.1.	МЕТОД ЕЛЕКТРОЛІТИЧНОГО ОБЛАДЖЕННЯ АМОРФНИХ ПЛЮНОК З РОЗЧИН ЕЛЕКТРОЛІТІВ
	1.2.	АМОРФІЗАЦІЯ КРИСТАЛИЧНОГО СТАНУ ШЛЯХОМ ВСТУП У КРИСТАЛИ ВЕЛИКОГО КІЛЬКОСТІ ДЕФЕКТІВ
	1.3.	ІНТЕНСИВНА ПЛАСТИЧНА ДЕФОРМАЦІЯ
	1.4.	ЗАГАРТАННЯ РІДКОГО СТАНУ
2.	ГІДНОСТІ ТА НЕДОЛІКИ МЕТОДУ ОТРИМАННЯ НАНОМАТЕРІАЛІВ З ВИКОРИСТАННЯМ ТВЕРДОФАЗНИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ
	ВИСНОВОК
	СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

ВСТУП

Останнім часом розроблено низку методів отримання наноматеріалів, у яких диспергування здійснюється у твердій речовині без зміни агрегатного стану.

Контрольована кристалізація з аморфного станує одним із способів одержання масивних наноматеріалів. Метод полягає в отриманні аморфного матеріалу, наприклад, загартуванням з рідкого стану, а потім кристалізацією в умовах контрольованого нагріву.

Аморфними називають метали, що у твердому стані, які у розташуванні атомів відсутня далекий порядок, характерний для металів у звичайному, тобто. кристалічному, стані. Для характеристики металів у такому стані використовуються також терміни "металеве скло", рідше - "некристалічні метали". Аморфний стан є граничним випадком термодинамічної нестабільності твердих металевих систем, протилежним до термодинамічного стану бездефектного кристала.

Протягом тисячоліть людство використовувало тверді метали виключно у кристалічному стані. Лише наприкінці 30-х років ХХ століття з'явилися спроби одержання методом вакуумного напилення некристалічних металевих покриттів у вигляді найтонших плівок. У 1950 році була отримана аморфна плівка сплаву Ni-P методом електроосадження з розчинів. Такі плівки використовували як тверді, зносостійкі та корозійностійкі покриття.

Положення істотно змінилося, коли в 1960 році був відкритий спосіб отримання аморфних металевих сплавів шляхом загартування рідкого стану, а в 1968 році - спосіб загартування розплаву на поверхні диска, що обертається з отриманням аморфної стрічки великої (сотні метрів) протяжності. Це відкрило можливість великомасштабного виробництва аморфних металів за їх відносно низької вартості та зумовило вибухоподібне зростання досліджень у галузі аморфних сплавів.

Сьогодні близько 80% промислових аморфних сплавів виробляються заради їх унікальних магнітних властивостей. Вони застосовуються як магнітом'які матеріали, що поєднують ізотропність властивостей, високу магнітну проникність, високу індукцію насичення, малу коерцитивну силу. Їх застосовують виготовлення магнітних екранів, магнітних фільтрів і сепараторів, датчиків, записують головок тощо. Сердечники трансформаторів, виготовлені з аморфних сплавів, характеризуються вельми малими втратами на перемагнічування завдяки вузькій петлі гістерезису, а також високому електроопору та малій товщині аморфної стрічки, що зменшує втрати, пов'язані з вихровими струмами.

Останнім часом, приблизно з середини 90-х років ХХ століття, значно зріс інтерес до структурних елементів різних матеріалів, у тому числі металів, що мають нанорозмірний масштаб (1…100 нм). При таких розмірах структурних утворень, зокрема кристалів, істотно зростає частка поверхневих частинок, що мають відмінну від розташованих усередині обсягів частинок взаємодію. В результаті властивості матеріалів, утворених такими частинками, можуть значно відрізнятися від властивостей матеріалів такого ж складу, але мають більші розміри структурних одиниць. Для властивості таких матеріалів та методів їх виробництва виникли і широко використовуються особливі терміни наноматеріали, нанотехнології, наноіндустрія.

У сучасному розумінні наноматеріали – це різновид продукції у вигляді матеріалів, що містять структурні елементи нанометрових розмірів, наявність яких забезпечує суттєве покращення або появу якісно нових механічних, хімічних, фізичних, біологічних та інших властивостей, які визначаються проявом наномасштабних факторів. А нанотехнології – це сукупність методів і прийомів, що застосовуються при вивченні, проектуванні, виробництві та використанні структур, пристроїв і систем, що включають цілеспрямований контроль та модифікацію форми, розміру, інтеграції та взаємодії складових їх наномасштабних (1…100 нм) елементів для отримання об'єктів з новими хімічними, фізичними, біологічними властивостями. Відповідно, наноіндустрія – це виробництво наноматеріалів, що реалізує нанотехнології. Щодо металів терміном «нанокристалічні» прийнято називати метали, розміри кристалів яких укладаються в наведений вище нанометровий діапазон.

Розробка наноматеріалів, нанотехнологій та використання об'єктів з керованими нанорозмірними структурами стали можливими значною мірою завдяки появі дослідницьких приладів та прямих методів дослідження об'єктів атомного рівня. Наприклад, сучасні електронні мікроскопи, що просвічують, зі збільшенням порядку 1,5х10 6 дозволяють візуально спостерігати атомну структуру.

Існують різні способи одержання наноструктурованих матеріалів, у тому числі металів. Наприклад, наноструктуру можна отримати в об'ємній металевій заготівлі шляхом подрібнення звичайних кристалів до нанорозмірних. Цього можна досягти, зокрема, шляхом інтенсивної пластичної деформації. Однак методи подрібнення структури шляхом деформації не дозволяють отримувати нанокристалічні метали у промислових масштабах і не належать до традиційних металургійних технологій.

У той же час нанокристалічна, як і аморфна, структуру металу можна отримати і традиційними металургійними способами, зокрема швидким охолодженням розплаву. Залежно від умов загартування рідкого стану можливі три варіанти формування структури:

· нанокристалізація безпосередньо в процесі загартування розплаву (граничний випадок звичайної прискореної кристалізації, що призводить до отримання не просто дрібнозернистої, а наноструктури);

· у процесі загартування розплаву відбувається часткова кристалізація, отже утворюється композитна аморфно-кристалічна структура;

· При загартуванні формується аморфна структура, а нанокристалічна структура утворюється при наступному відпалі.

Нанокристалічні, як і аморфні, метали, одержувані методом загартування рідкого стану, знаходять застосування переважно як магнітних і електротехнічних матеріалів з унікальними властивостями. Вони використовуються як магнітом'які і магнітотверді матеріали, провідників, напівпровідників, діелектриків і т.д.

Зокрема, широке застосування знайшли магнітом'які сплави типу файнмет (Finemet). Це нанокристалічні сплави системи Fe-Si-B з добавками Cu та Nb або інших тугоплавких металів. Сплави одержують шляхом часткової кристалізації аморфного стану. Їхня структура складається з феромагнітних кристалітів розміром 10...30 нм, розподілених в аморфній матриці, яка становить від 20 до 40% обсягу. Сплави типу файнмет мають дуже низьку коерцитивну силу, високу магнітну проникність і намагніченість, малими втратами на перемагнічування, перевершуючи за своїми характеристиками інші магнітом'які сплави, в тому числі і аморфні.

Досить широко застосовуються також магнітотверді нанокристалічні сплави систем Fe-Nd-B, Fe-Sm-N. Оскільки багато магнітні матеріали (Fe-Si, Fe-Nd-B) крихкі, то зменшення величини зерна не тільки покращує їх магнітні характеристики, а й підвищує пластичність.

МЕТОДИ ОТРИМАННЯ АМОРФНИХ МЕТАЛІВ

Рис.1. Методи досягнення рівноважних та нерівноважних станів металів

· Конденсацією з газової фази. З деякими застереженнями до цієї групи можуть бути віднесені методи електролітичного осадження аморфних плівок з розчинів електролітів;

· Аморфізацією кристалічного стану шляхом введення в кристали великої кількості дефектів;

· Загартуванням рідкого стану з металевого розплаву.