Файл: Реферат по дисциплине Физикохимические основы нанотехнологий.docx
Добавлен: 11.12.2023
Просмотров: 52
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Липецкий государственный технический университет
Факультет ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
Кафедра НАНОТЕХНОЛОГИЙ
РЕФЕРАТ
по дисциплине «Физико-химические основы нанотехнологий»
«Способы и оборудование для получения аморфных металлов и сплавов»
Выполнил:
Студент группы НИ-20 _______________ Власова Ю. А.
Проверил _______________ Дождиков В. И.,
Липецк 2023 г.
Содержание
Введение
Современный технический прогресс невозможен без создания новых
технологий и материалов с высокими эксплуатационными характеристиками.
Среди таких материалов особый интерес исследователей и производственников
вызывают аморфные (от а – отрицательная частица и греческого morphe –
форма) металлические сплавы, не имеющие кристаллической структуры.
Аморфные металлы привлекали усиленное внимание ученых со времени их открытия в 1960 году. Первым из полученных аморфных металлов был сплав золото-кремний. Затем удалось получить в аморфном состоянии не только сплавы, но и многие чистые металлы, в том числе железо, алюминий, хром, никель, ванадий, германий и др. Для этого потребовались скорости охлаждения до 10 миллиардов градусов в секунду. Однако аморфное состояние чистых металлов неустойчиво — при нагревании начинается кристаллизация. Намного устойчивее сплавы металлов, содержащие такие переходные элементы, как никель, палладий, цирконий, лантан, а также некоторые неметаллы — кремний, бор, углерод, фосфор.
1. Классификация материалов с неупорядоченной структурой
Многие материалы обладают неупорядоченной атомной структурой. Само понятие «неупорядоченное состояние», используемое для определения структурных особенностей материала.
Под неупорядоченными материалами понимают вещества, которые находятся в конденсированном состоянии (являются твѐрдыми телами), но при этом характеризуются отсутствием строгой периодичности и упорядоченности в расположении атомов, ионов, молекул или целых атомных групп.
К неупорядоченным материалам могут быть отнесены стеклообразные вещества (стекла), многие полимеры, твердые растворы, смолы, высокодисперсные порошки, продукты осаждения из водных растворов и искусственно получаемые металлические сплавы с неупорядоченной атомной структурой.
В научной литературе, ранее использовались два термина: «аморфный» и «стеклообразный». Термины имеют схожий смысл
, однако есть и некоторое различие. «Стеклообразный» (или «металлическое стекло») использовался для обозначения материалов, находящихся в твердом состоянии и полученных при охлаждении расплавов.
Термин «аморфный» шире по своему содержанию поскольку применяется безотносительно к методу получения материала, но указывает на неупорядоченность его структуры (например, стекла всегда аморфны, но не все аморфные вещества являются стеклами).
Существует несколько вариантов классификации неупорядоченных материалов. Один из них –классификация по химическому составу.
1. Оксидные стекла- диэлектрические материалы на основе оксидов металлов и полупроводников. Такие аморфные материалы подразделяются на отдельные классы и группы по склонности к аморфизации. Стеклообразователями, легко образующими неупорядоченное состояние являются B2O3, SiO2, GeO2, PO2. Другие оксиды переходят в состояние стекла лишь в условиях быстрого охлаждения (As2O3, Sb2O3), третьи оксиды (Al2O3, Bi2O3, TiO2) практически не стеклуются при закалке из жидкого состояния.
2. Галогенидные стекла- стекла, основой которых являются не
оксиды, а химические соединения на основе галогенов (F, Cl, Br, I,
At). Наиболее известны стекла на основе фторида бериллия (BeF2), c добавками фторидов аммония, магния, кальция, бария и стекла на
основе хлорида цинка (ZnCl2).
3. Халькогенидные стекла - стекла образованные из сульфидов,
селенидов и теллуридов. Аморфные халькогениды, как правило, обладают относительно плохими механическими свойствами и низкой термической устойчивостью по сравнению с оксидными стеклами.
4. Смешанные стекла– стекла синтезирующиеся из смеси стеклообразующих соединений различных систем.
5. Металлические стекла (аморфные металлические сплавы)-
стекла на основе металлических материалов. Эти неупорядоченные
материалы проявляют физические свойства характерные для металлов. Они являются электрическими проводниками, обладают соответствующими механическими и химическими свойствами. Если содержат в своем составе большое количество ферромагнитных элементов – проявляют определенные магнитные свойства. Выделяют несколько групп аморфных металлических сплавов в зависимости от их элементного состава:
а) Сплавы на основе переходных (ТМ) или драгоценных металлов Fe, Co, Ni, Au с металлоидами (М) или полупроводниками. Например, Fe-B, Fe-Si, Pd-Si, Ni-P.
б) Сплавы простых металлов (Mg, Ca, Zn, Al и др.). Например,
Mg-Zn, Ca-Al.
г) Сплавы переходных металлов, обладающих собственным
магнитным моментом (Cr, Mn, Fe, Co, Ni) [4]
6. Аморфные полупроводники- неупорядоченные материалы,
проявляющие полупроводниковые свойства. Можно выделить две
группы аморфных полупроводников:
а) элементарные полупроводники (одноэлементные полупроводниковые материалы с аморфной структурой (Te, As, Sb, Ge, Si));
б) всевозможные соединения полупроводниковых элементов.
7. Аморфные полимеры– органические соединения, молекулярные цепочки которых хаотично расположены в объеме материала.
В данной работе будут рассмотрены аморфные материалы пятой группы, т.е. аморфные металлические сплавы (АМС), нашедшие широкое применение во многих областях современной техники.
1.1. Структура аморфных сплавов
Отсутствие в аморфных металлах дальнего порядка в расположении атомов
резко затрудняет изучение и описание их структуры. В отличие от кристаллических тел, в них нет элементарных ячеек, определив положение атомов в которых можно было бы описать всю структуру. Каждый из химически идентичных атомов имеет различное окружение. Поэтому описание
такой структуры может быть только статистическим.
а) б)
Рис.1. Компьютерные модели структуры дальнего(а) и ближнего(б) порядка
1.2. Условия получения аморфного состояния
1.3. Применение аморфных сплавов, магнитомягких и магнитотвердых аморфных сплавов, аморфных ферромагнетиков.
Аморфные сплавы обладают высокими механическими свойствами-
твердостью и прочностью на разрыв. Повышенная твердость обусловлена
затрудненностью пластической деформации аморфной структуры.
Порядка 80 % промышленных аморфных сплавов производятся ради их
магнитных свойств. Они применяются в качестве магнитомягких материалов, сочетающих изотропность свойств, высокую магнитную проницаемость, высокую
индукцию насыщения, малую коэрцитивную силу. Их применяют для изготовления магнитных экранов, магнитных фильтров и сепараторов, датчиков, записывающих головок и т.п. Сердечники трансформаторов, изготовленные из аморфных сплавов, характеризуются весьма малыми потерями на перемагничивание благодаря узкой петле гистерезиса, а также высокому электросопротивлению и малой толщине, что уменьшает потери, связанные с вихревыми токами.
Хотя аморфные материалы химически более активны, чем кристаллические,
но при наличии в них хрома и других элементов, способствующих формированию
пассивирующей плёнки, они могут обладать исключительно высокой коррозионной стойкостью и использоваться в агрессивных средах; например, сплав Fe45Cr25Mo10P13C7 по стойкости превосходит даже тантал.
Некоторые аморфные сплавы проявляют инварные и элинварные свойства (то есть имеют близкий к нулю коэффициент термического расширения или слабо зависящие от температуры модули упругости) и могут применяться в прецизионных(высокоточных) приборах. Наконец, аморфные сплавы используются для получения нанокристаллических материалов [2].
В зависимости от условий закалки из жидкого состояния возможны три варианта формирования наноструктуры:
1) нанокристаллизация непосредственно в процессе закалки расплава (предельный случай обычной ускоренной кристаллизации, приводящий к получению
не просто мелкозернистой, а наноструктуры);
2) в процессе закалки расплава происходит частичная кристаллизация, так что
образуется композитная аморфно-кристаллическая структура;
3) при закалке формируется аморфная структура, а нанокристаллическая
структура образуется при последующем отжиге.
Последний вариант наиболее распространён. Поскольку аморфное состояние
нестабильно, то при нагреве в материале будет происходить образование и рост
зародышей кристаллической фазы [2].
Применение аморфных сплавов сдерживают технологические ограничения
(малая толщина получаемых полуфабрикатов, полная несвариваемость) и малая стабильность свойств — их структура и свойства существенно изменяются при нагревах и за время работы при Ткомн.
Аморфные материалы могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми, обладают рядом полезных свойств. Магнитный момент определяется химическим беспорядком. Магнитные свойства отражают ближний порядок, характерный для
аморфных сплавов. Температура Кюри (Тс) постоянно изменяется с изменением количества металлоида (Х). Тс падает с изменением концентрации (увеличением) Fe, что позволяет считать решетку аморфного материала более
плотной, чем ОЦК в Fe.Если аморфный материал содержит два металлоида,
то необходимо учитывать коэффициент взаимодействия.
Намагниченность насыщения (σs) сплавов понижается с увеличением
содержания Fe. Это уменьшения σs прямо соответствует поведению точки
Кюри (Тс), которая резко падает с увеличением содержания металлоида. Таким образом, намагниченность насыщения зависит от состава аморфного материала.
Металлические стекла на основе железа обладают исключительной
скоростью намагничивания, которая связана с высокой подвижностью границ
доменов, обусловленной, в свою очередь, отсутствием границ зерен,
изотропностью среды и высоким электросопротивлением, гасящим вихревые
токи. Большая группа аморфных сплавов железа с бором и кремнием
применяется в качестве магнитомягких материалов. Уровень магнитных
потерь в них при достаточно высокой магнитной индукции значительно ниже,
чем в известных кристаллических сплавах. Они перспективны для изготовления
сердечников больших трансформаторов вместо традиционно используемых
листов трансформаторной стали (