Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Механико-технологический факультет

Кафедра «Материалы, технологии и конструирование машин»

Курсовая работа

по теме: «Получение наноструктурированных материалов из аморфного состояния»

Выполнил:

студент группы МТН-13

Колобова Е.А.

Проверил:

Кульметьева В.Б.

Пермь 2015

Реферат

Курсовая работа 27 с., 13 рис., 4 табл., 19 источников.

Аморфное состояние, получение наноструктуры, неметаллические стёкла, объёмные металлические стёкла, магнито-мягкие материалы.

Объектом исследования являются аморфные материалы с наноразмерной структурой. аморфный наноструктурный кристаллический

Цель работы -- анализ литературы по данной теме, рассмотрение методов получения и исследований, которые ведутся в данной области.

В процессе работы проводилось исследование литературы по получению наноструктурных материалов из аморфного состояния. Результаты исследования показали современные направления развития науки в данной области. Рассмотрены основные способы получения наноразмерных структур в аморфном состоянии. Отдельно более детальному рассмотрению подверглись объемные металлические стёкла, а именно материалы FINEMET. Была проведена сравнительная характеристика, в результате которой было выяснено, что указанные выше материалы не уступают своим аналогам, а по некоторым стандартным для магнитных материалов физическим характеристикам даже обходят их.

Работа носит обзорный и аналитический характер.



Содержание

• Введение
• 1. Аморфное состояние
• 2. Наноструктурные материалы. Их получение
• 3. Стёклокристаллические материалы
• 4. Технология получения и свойства сплава finemet
• Заключение
• Список использованных источников


Введение

В 80-х годах прошлого века интерес к наноразмерным компонентам стремительно возрос. Причиной послужили открытия во многих областях и необходимость применения уникальных свойств наноматериалов для решения текущих и будущих практических задач: для синтеза новых материалов, создания элементов оптических и электронных устройств, получения эффективных и избирательных катализаторов и т.д.

Материал, наноструктурированый иначе наноматериал (англ. nanostructured material или nanomaterial) - конденсированный материал, полностью или частично состоящий из структурных элементов (частиц, зерен, кристаллитов, волокон, прутков, слоев) с характерными размерами от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров, причем дальний порядок в структурных элементах сильно нарушен, и роль многочастичных корреляций в расположении атомов в этих элементах берет на себя ближний порядок, а какие-либо макроскопические свойства материала определяются размерами и/или взаимным расположением структурных элементов [1].

Однако сейчас большое внимание уделяется изучению аморфного состояния из-за их свойств близких к свойствам монокристаллов. Изменение структуры с кристаллической на аморфную, также влияет на механические характеристики и позволяет получать материалы с уникальными свойствами. Существуют три группы материалов с аморфным строением: аморфные металлы, аморфные неметаллы и аморфные полупроводники. Объектом исследования в данной работе выступают первые два.

В ходе работы будет проведён анализ литературы по соответствующей теме, выявлены основные способы получения наноструктурных материалов из аморфного состояния.



1. Аморфное состояние

Аморфное состояние - твердое конденсированное состояние вещества, характеризующееся изотропией физических свойств, обусловленной неупорядоченным расположением атомов и молекул. Кроме изотропии свойств (механических, тепловых, электрических, оптических и т. д.) для аморфного состояния вещества характерно наличие температурного интервала, в котором аморфное вещество при повышении температуры переходит в жидкое состояние. Этот процесс происходит постепенно: при нагревании аморфные вещества в отличие от кристаллических, сначала размягчаются, затем начинают растекаться и, наконец, становятся жидкими, т. е. аморфные вещества плавятся в широком интервале температур [2].

Изотропия свойств характерна и для поликристаллического состояния, но поликристаллы имеют строго определенную температуру плавления, что позволяет отличать поликристаллическое состояние от аморфного.

В аморфных веществах, в отличие от кристаллических, отсутствует дальний порядок в расположении частиц вещества, но присутствует ближний порядок, соблюдаемый на расстояниях, соизмеримых с размерами частиц. Поэтому аморфные вещества не образуют правильной геометрической структуры, представляя собой структуры неупорядоченно расположенных молекул (рис. 1).

Структурное отличие аморфного вещества от кристаллического обнаруживается с помощью рентгенограмм. Монохроматические рентгеновские лучи, рассеиваясь на кристаллах, образуют дифракционную картину в виде отчетливых линий или пятен, что не характерно для аморфного состояния.

В отличие от кристаллического состояния, аморфное состояние вещества не является равновесным. Оно возникает в результате кинетических факторов и со структурной точки зрения эквивалентно жидкому состоянию: аморфное вещество представляет собой переохлажденную жидкость, обладающую очень большой вязкостью. Обычно аморфное состояние образуется при быстром охлаждении расплава, когда не успевает пройти кристаллизация вещества. Такой процесс характерен для получения стекол, поэтому аморфное состояние часто называют стеклообразным состоянием. Однако чаще всего даже самое быстрое охлаждение недостаточно быстро для того, чтобы помешать образованию кристаллов. В результате этого большинство веществ получить в аморфном состоянии невозможно.

Рисунок 1 - Строение решётки. a-кристаллическое строение; b-аморфное строение [2].

Самопроизвольный процесс перестройки аморфного вещества в равновесную кристаллическую структуру за счет диффузионных тепловых смещений атомов практически бесконечен. Но иногда такие процессы можно достаточно легко осуществить. Например, аморфное стекло после выдержки при определенной температуре «расстекловывается», т.е. в нем появляются мелкие кристаллы и стекло мутнеет.

В природе аморфное состояние менее распространено, чем кристаллическое. В аморфном состоянии находятся: опал, обсидиан, янтарь, смолы природные, битумы. В аморфном состоянии могут находиться не только вещества, состоящие из отдельных атомов и обычных молекул, такие, как стекла неорганические и жидкости (низкомолекулярные соединения), но и вещества, состоящие из длинноцепочечных макромолекул -высокомолекулярные соединения, или полимеры. Физические свойства аморфных веществ сильно отличаются от кристаллических, благодаря чему они нашли широкое применение в промышленности (аморфные и стеклообразные полупроводниковые материалы, аморфные магнетики, аморфные металлы).

2. Наноструктурные материалы. Их получение

Эксплуатационные характеристики материалов и свойства определяются их структурой. Г.Глейтер составил классификацию основных типов структур неполимерных наноматериалов [3].

Выделяют 4 типа структуры по распределению фаз и химическому составу: однофазные, статистические многофазные с идентичными и неидентичными поверхностями раздела фаз и матричные многофазные. Также разделяют на три типа структуры по форме: пластинчатая, столбчатая и содержащая равноосные включения (табл. 1).

Приведённая классификация учитывает возможность сегрегации (изменения кристаллического состояния неоднородной среды) на межкристаллитных границах. Реальное разнообразие структурных типов более широкое, так как включает в себя смешанные варианты и наличие пористостей, трубчатых или луковичных структур, полимерных составляющих и др. Самыми распространёнными структурами являются матричные и статистические объекты, как однофазные, так и многофазные; столбчатые и многослойные структуры, которые в большинстве случаев характерны для плёнок [3,4].

Одно из главных достоинств этих материалов - разнообразие способов их получения (табл. 2). 

Таблица 1 - Класификация консолидированных наноматериалов [3]

Таблица 2 - Основные методы получения консолидированных наноматериалов [3]

Метод получения	Вариант метода	Объекты
Порошковая технология	Газофазное осаждение и компактирование (метод Глейтера)	Металлы, сплавы, соединения
	Обычное прессование и спекание
	Электроразрядное спекание
	Горячая обработка давлением (ковка, прессование, экструзия)
Интенсивная пластическая деформация	Деформация кручением при высоких давлениях	Металлы и сплавы
	Равноканальное угловое прессование
	Обработка давлением многослойных композитов
	Фазовый наклёп
Контролируемая кристаллизация из аморфного состояния	Кристаллизация при обычном давлении	Аморфные вещества
	Кристаллизация при повышенном давлении
Технология плёнок и покрытий	Химическое осаждение из газовой фазы	Металлы, сплавы, соединения
	Физическое осаждение из газовой фазы
	Электроосаждение
	Золь-гель технология

Порошковая технология - совокупность процессов получения порошков материалов (металлов) с целью дальнейшего изготовления изделий непосредственно из них или с добавлением неметаллических порошков (композиции). Включает в себя четыре стадии: производство порошков, смешивание, прессование/брикетирование/уплотнение и спекание. Метод экономически целесообразен в массовом производстве.

Интенсивная пластическая деформация (англ. severe plastic deformation) -- способ получения беспористых металлов и сплавов с размером зерна около 100 нм, заключающийся в формировании за счет больших деформаций сильно фрагментированной и разориентированной структуры, сохраняющей в себе остаточные признаки рекристаллизованного аморфного состояния. Применима в основном к пластически деформируемым материалам. Имеет преимущества перед компактированием.

Пленка - слой вещества, контактирующий с газовой фазой с обеих сторон. Свойства тонкой пленки могут сильно отличаться от свойств массивного материала, особенно если толщина пленок очень мала. Эти отличия обусловлены спецификой структуры пленки, которая, очевидно, обусловлена процессами, происходящими во время формирования пленки.

Тонкие пленки получают путем осаждения атом за атомом, например путем конденсации из паровой фазы или электролитическое осаждение металлической пленки из раствора. Получение пленок с помощью вакуумного напыления или газотранспортных реакций представляет наибольший интерес с практической точки зрения [5].

Процесс перехода из аморфного или жидкого состояния в кристаллическое можно рассматривать как переход типа порядок-беспорядок. Это можно осуществить либо при нагреве из расплава со скоростью близкой к критической. В первом случае, процесс кристаллизации проходит в условиях постоянного подвода тепла (либо при постоянной, либо при непрерывно возрастающей температуре) и при дополнительном воздействии тепла, выделяющегося в процессе кристаллизации. В результате этого, в системе на определённом этапе обработки возникает структура, состоящая из двух явно выраженных структурных составляющих: аморфной и кристаллической. Характер структуры в этом случае, в определенной степени зависит от скорости нагрева и последующего охлаждения, температуры и среды отжига [6].

Совершенно иной морфологический тип структуры можно реализовать на ранних стадиях кристаллизации в условиях резкого охлаждения расплава, при котором происходит эффективный теплоотвод от кристаллизующейся системы.

Существует ещё один способ формирования аморфно-кристаллических структур, когда «лужу» расплавленного металла, образующуюся на закалочном диске-холодильнике, вдувают с помощью специальной форсунки дисперсные кристаллические частицы тугоплавкого соединения (как правило, карбида тугоплавкого металла). В результате этого аморфизирующийся расплав, а затем и затвердевшая аморфная матрица, содержит равномерно распределенные в объеме частицы кристаллической фазы [6].

Для получения аморфного состояния необходимо не допустить роста кристаллов дальнего порядка, для этого используются технологии на основе быстрого охлаждения со скоростью порядка 106-108 К/с. Такие технологии называются контролируемая кристаллизация из аморфного состояния. Два известных метода подобной кристаллизации: закалка из жидкого состояния и ионно-плазменное распыление. Подробнее остановимся на первом варианте.

Рассмотрим технологии распыления расплава. Данная группа методов основана на быстром распылении и охлаждении расплава исходного материала. Эта технология позволяет получить порошки до 100 нм в диаметре. Кроме того, получаемые порошки имеют нанокристаллическую или аморфную структуру, хотя размер частиц может быть 0,5-10мкм. Исходя из этого, такие порошки могут быть причислены к наноматериалам, а способы их производства - к нанотехнологиям. Процессы получения частиц могут проводиться в защитной атмосфере (н-р, инертные газы). В настоящее время чаще всего используются три следующих варианта данной технологии.

1. Контактное охлаждение при помощи водоохлаждаемого барабана или диска

В основе метода лежит подача расплавленного материала на быстровращающийся водоохлаждаемый барабан или диск, изготовленные из материалов с высокой теплопроводностью. Наиболее распространённым материалом является медь. В таком случае, скорость охлаждения поддерживается на уровне до 108 К/с (рис. 2).

Рисунок 2 - Принципиальная схема распыления порошка из расплава при помощи водоохлаждаемого барабана [7]

Для получения порошков поверхность барабана или диска выполняется шероховатой (зубчатой). Если она будет гладкой, то получаемый продукт будет только фольга, полосы или тонкие проволоки толщиной 10-50 мкм с аморфной или нанокристаллической структурой. Порошок, который получается в данном методе имеет хлопьевидную форму частиц, что может служить причиной неоднородной структуры и анизотропии свойств у изделий, сформированных из этих порошков. По этой причине получаемые таким методом порошки подвергают дополнительно механическому измельчению, что является основным недостатком метода.

2. Ударное распыление расплава

Из названия очевидно, что метод основан на соударениях: струя или капли расплава разбиваются механически на мелкие частицы при соударении с интенсивно вращающимися металлическими лопатками (рис.3).



Рисунок 3 - Принципиальная схема процесса ударного распыления расплава [7]

В этом случае обеспечивается охлаждение со скоростью до 107 К/с. В связи с механическим измельчением, недостаток ударного распыления идентичен предыдущему методу: частицы порошка получаются неправильной формы и требуют дополнительного механического измельчения при последующем формовании для получения качественных изделий с однородной структурой.

3. Электрогидродинамическое распыление расплава

Основа метода: использование электростатических сил для распыления расплава (рис.4). В сопло, диаметр отверстия которого около 80 мкм, подаётся струя расплава, направленная на кольцевой электрод. Напряжение, прикладываемое на электрод от 3 до 20 кВ. В результате из сопла вылетают положительно заряженные мелкие капли расплава, образующие частицы порошка после охлаждения. Размер частиц зависит от материала и технологических параметров и может варьироваться от 100 нм до 10 мкм. Главный недостаток этого метода - очень низкая производительность (2 г/ч с одного сопла) [8].



Рисунок 4 - Принципиальная схема процесса электрогидродинамического распыления расплава [7]

Еще одним способом получения наноструктурных материалов методом быстрой закалки является газовая атомизация. Данный метод состоит в охлаждении расплава металла с помощью высокоскоростного потока инертного газа (рис.5). При взаимодействии струи газа с металлом кинетическая энергия газа передается расплаву, в результате чего образуются мелкодисперсные капли. Этот метод можно использовать для получения наноструктурных порошков, из которых методом горячего компактирования далее получают объемные образцы, т.е. по своей сути данная технология может быть отнесена к комбинированным технологиям получения объемных наноматериалов [9].

Рисунок 5 - Схема установки для получения капель металлических наночастиц газовой атомизацией [9]

Ионно-плазменное распыление - метод получения резистивных, проводящих и диэлектрических пленок, при котором распыление осуществляется бомбардировкой материала мишени ионами плазмы газового разряда низкого давления, формируемого между термокатодом и независимым анодом (рис.6).

Рисунок 6 - Схема установки для четырёхэлектродного распыления: 1 - вакуумная камера, 2 - анод, 3 - катод, 4 - мишень, 5 - подложка, 6 - аморфный материал [10]

Отличительной чертой ионно-плазменного распыления является высокий вакуум, что обеспечивает получение более чистых пленок. Электрические цепи разряда и распыления развязаны. Методом ионно-плазменного распыления получают пленки любых, в том числе тугоплавких, металлов. Они имеют более высокую адгезию и лучшую стабильность характеристик [10].

3. Стёклокристаллические материалы

Стеклокристаллические материалы подразделяются на металлические и неметаллические. К последним относят ситаллы.

Ситаллы - стеклокристаллические материалы, полученные объёмной кристаллизацией стекол, и состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределённых в стекловидной фазе.

Ситаллы обладают малой плотностью (легче алюминия), высокой механической прочностью, особенно на сжатие, твердостью, жаропрочностью, термической стойкостью, химической устойчивостью и другими ценными свойствами. Ситаллы имеют большинство положительных свойств, которые есть у стекла, в том числе и технологичность.

Существуют ситаллы со специальными свойствами: прозрачные, магнитные, полупроводниковые, радиопрозрачные и другие.

Твёрдость большинства ситаллов 6,5-7 единиц по Моосу, предел прочности на изгиб до 250 МПа, термостойкость до 1000 °C.

Подбором состава стекла, содержащего в большинстве случаев добавки, ускоряющие объёмную кристаллизацию (катализаторы, нуклеаторы), можно спроектировать соответствующие кристаллические и стекловидную фазы. Кристаллы спроектированных фаз возникают и растут равномерно по всему объёму в результате термической обработки. Технология производства изделий из ситаллов незначительно отличается от производства изделий из стекла. В некоторых случаях изделия можно формовать методами керамической технологии. Иногда для зарождения кристаллов в состав стекла вводят фоточувствительные добавки. Для производства отдельных видов ситаллов используют шлаки.

Существуют литиевые, борно-бариевые, магниевые, титановые и другие ситаллы.

Ситаллы применяются для изготовления деталей, требующих прочности и термостойкости (корпуса приборов, шкалы, образцовые меры, подложки микросхем и др.). Они являются перспективными строительными и конструкционными материалами (обтекатели ракет и сверхзвуковых управляемых снарядов, химически стойкая аппаратура, мостостроительные конструкции и др.) [11].

Аморфные металлы (металлические стёкла) - класс металлических твердых тел с аморфной структурой, характеризующейся отсутствием дальнего порядка и наличием ближнего порядка в расположении атомов. В отличие от металлов с кристаллической структурой, аморфные металлы характеризуются фазовой однородностью, их атомная структура аналогична атомной структуре переохлаждённых расплавов [12].

В 90-х объемные металлические стекла (ОМС) [13] с размером > 1 мм в каждом из 3-х пространственных измерений (рис. 7) удалось получить на базе широко распространенных металлов: магния, титана, меди, железа и т.д. в двойных, тройных, четверных и многокомпонентных сплавах.

Рисунок 7 - Образцы отливок ОМС (оптическое изображение) [12]

Aтомная структура стекол демонстрирующая отсутствие дальнего порядка в расположении атомов (рис.8) определяет их свойства, в частности механические. По величине прочности и удельной прочности они значительно превосходят соответствующие кристаллические сплавы из-за невозможности использования механизмов аккомодационной деформации дислокационного или двойникового типа. Условный предел текучести ОМС достигает ~2 ГПа для ОМС на основе Cu, Ti и Zr, ~3 ГПа на основе Ni, ~4 ГПа на основе Fe, ~5 Гпа на основе Fe и Co, а также 6 ГПа для кобальтовых сплавов. Структура металлического стекла также обеспечивает упругую деформацию до 2 %, что в сочетании с высоким пределом текучести обуславливает большие значения запасенной энергии упругой деформации (показатели уy2/E и уy2/сЕ, где уy, с и Е - предел текучести, плотность и модуль Юнга, соответственно). Следует отметить, что недавние исследования указывают наличие атомных кластеров в ОМС [14].

Рисунок 8 - Изображение просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и картины дифракции от выбранной области субмикроскопического размера (SAED) и наноразмера (NBD). Заметно отсутствие дальнего порядка в расположении атомов. Размер областей рассеяния показан кругами условно [11]

При охлаждении с обычными скоростями металлический расплав затвердевает при очень малых переохлаждениях, фактически при равновесной температуре плавления Tпл, образуя кристаллическую структуру. Однако если скорость охлаждения велика, то жидкость можно переохладить существенно ниже Tпл. Поскольку вязкость жидкости непрерывно возрастает с понижением температуры, то в конце концов затвердевание произойдёт и в этом случае. Обычно считают, что затвердевание происходит, когда кинематическая вязкость з достигает значения 1012 Па·с. Соответствующая температура называется температурой стеклования Tст. Ясно, что аморфизовать сплав тем легче, чем быстрее меняется вязкость с понижением температуры и чем меньше разность Tпл -Tст. При кристаллизации при температуре Tпл удельный объём, энтальпия и т.д. испытывают скачок, а при стекловании при температуре Tст - только перегиб (рис. 9). Картина похожа на ту, которая наблюдается при фазовых превращениях второго рода, однако аморфизацию всё же нельзя относить к их числу, поскольку температура Tст имеет кинетическую, а не термодинамическую природу и зависит от скорости охлаждения [15].

Рисунок 9 - Схемы изменения свойств материалов при медленном (1) и быстром (2) охлаждении: а - вязкость з, б - энтальпия Н, в - удельный объем н [15]. 

Критерием того, насколько легко подавить кристаллизацию, является критическая скорость охлаждения Vкр, позволяющая переохладить жидкость до температуры Tст. Используется и другая характеристика - критическая толщина ленты tкр, то есть максимальная толщина, при которой ленту можно получить в аморфном состоянии.

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. Если режим отжига будет подобран так, чтобы обеспечить максимальную скорость зарождения кристаллитов при минимальной скорости их роста, то их размер можно сделать очень малым - 10…20 нм и даже менее - то есть получить нанокристаллическое состояние.

Размер образующихся нанозёрен быстро увеличивается с повышением температуры отжига (рис. 10), однако иногда кратковременный отжиг при повышенной температуре позволяет получить более мелкое зерно: так, отжиг аморфного сплава состава Fe5Co70Si15B10 при 600 °C, 1 ч даёт зерно 50…200нм, а отжиг при 650 °C, 10 с - 15…50 нм. Ещё большего измельчения зерна можно добиться путём предварительной деформации или низкотемпературного (~350 °C) отжига перед окончательным кратковременным отжигом; другие варианты - деформация в процессе кристаллизационного отжига, облучение ионами аргона до или после отжига, интенсивная пластическая деформация, во время которой в аморфной матрице возникают зародыши кристаллизации, и т.д.

Рисунок 10 - График зависимости размера зёрен от температуры нанокристаллизации аморфного сплава Fe-Cu-Nb-Si-B (время отжига 1 час) [15]

К сожалению, при всех преимуществах металлических стёкол, а именно: способность проводить электрический ток, быть прочными, как сталь, и пластичными, как полимерные материалы, высокая коррозионная стойкость - у ОМС есть существенный недостаток, который затрудняет их широкое применение, хрупкость. ОМС ломкие и неравномерно сопротивляются усталостным нагрузкам. Для монолитных металлических стёкол эта проблема ещё не решена, в то время как композитные металлические стёкла успешно справляются с поставленной задачей [16].

Недавние исследования учёных из лаборатории Беркли и Калифорнийского технологического института объемных металлических стёкол на основе палладия показали, что существует способ повысить их усталостную прочность. Образцы ОМС на основе палладия, подвергнутые усталостным нагрузкам, проявили себя ничуть не хуже, чем лучшие из композитных металлических стекол. Усталостная прочность палладиевых стёкол сравнима с этим показателем для широко используемых поликристаллических конструкционных металлов и сплавов, таких как сталь, алюминий и титан [17].

Под нагрузкой на поверхности палладиевого металлического стекла образуется полоса сдвига - локальная область значительной деформации, которая принимает ступенчатую форму. При этом по краям трещин, разделяющих «ступени», возникают такие же полосы сдвига, что притупляет вершины трещин и препятствует их дальнейшему распространению (рис. 11).

Рисунок 11 - Формирование полос сдвига, разрушающих вершины трещины и препятствующие её дальнейшему росту [17].

Палладий характеризуется высоким соотношением модулей объемного сжатия и сдвига, что скрадывает присущую стеклообразным материалам хрупкость, поскольку образование «многоуровневых» полос сдвига, препятствующих дальнейшему росту трещин, оказывается энергетически более выгодным, чем формирование крупных трещин, приводящих к быстрому разрушению образца. Совместно с высоким пределом выносливости материала эти механизмы значительно повышают усталостную прочность объемного металлического стекла на основе палладия.

Рассмотрим подробнее особенности на примере аморфных и нанокристаллических ферромагнетиках, которые являются высокопроницаемымми материалами. Введение в аморфную матрицу нанокристаллов, способных снизить эффект локальной магнитной анизотропии и константы магнитострикции двухфазной системы, приводит к дополнительному повышению магнитной проницаемости и без того высокопроницаемых аморфных ферромагнетиков. На этом принципе основано создание нового поколения магнитно-мягких аморфно-нанокристаллических сплавов на основе железа - Файнмет, Наноперм и Термоперм [18], уникальные магнитные свойства которых превосходят таковые для аморфных ферромагнетиков.

4. Технология получения и свойства сплава finemet

Finemet (файнмет) - семейство нанокристаллических сплавов системы FeCuNbSiB. Эти сплавы обладают уникальным сочетанием великолепных гистерезисных магнитных свойств с высоким значением индукции насыщения, что предопределило их широкое применение в электро- и радиопромышленности, электронной технике и приборостроении. Поскольку эти сплавы получают кристаллизацией аморфных лент, изготовленных путем закалки из расплава, то их следует отнести к материалам, определяемых как быстрозакалённые [9].

Характеристики сплавов:

1) высокая насыщенность магнитного потока при высокой проницаемости

2) низкие потери в сердечнике

3) низкий уровень магнитострикции (магнитостриикция (от лат. strictio -сжатие, натягивание) - явление, заключающееся в том, что при изменении состояния намагниченности тела его объём и линейные размеры изменяются).

Меньше подвержены механическим воздействиям.

4) Отличные температурные характеристики и незначительные влияния эффектов старения:

Изменение проницаемости малое (менее ± 10%) при температурном диапазоне -50 ° C ~ 150 ° C. В отличие от аморфных металлов на основе Co, эффект старения очень мал.

5) Отличные высокочастотные характеристики:

Высокая проницаемость и низкие потери в сердечнике в широком диапазоне частоты (диапазон, который эквивалентен Co на основе аморфного металла).

6) Гибкость управления магнитными свойствами «BH»:

Три типа B-Н кривой; высокий, средний и низкий коэффициент остаточной намагниченности, соответствующих различным областям применения (рис. 12).

Процесс производства FINEMET основан на методе барабанного литья. Изначально, указанным выше методом, изготавливается аморфная лента толщиной не более 18 мкм, которая подвергается быстрой закалке. Данный метод называется «Single roll method». Полученную аморфную ленту сматывают на тороидальный сердечник. В итоге, сердечники отправляют на термообработку для получения отличных магнитомягких свойств. После термообработки размер зерён составляет до 10 нм [15].

Рисунок 12 - Три типа кривых B-H. 1) Тип Н: магнитное поле приложено в направлении вдоль плоскости во время отжига. 2) Тип М: отсутствие магнитного поля во время отжига. 3) L тип: магнитное поле приложено перпендикулярно основной плоскости в процессе отжига [18].

Для получения сплава изначально используется материал в аморфном состоянии. Затем в аморфной фазе зарождаются кластеры меди, которые служат центрами кристаллизации для ОЦК Fe. Кристаллизация продолжается появлением ГЦК Cu и ОЦК Fe (-Si). В финале этого процесса кристаллизации, роста зерен замедляется, остаётся стабилизированная аморфная фаза на границах зерен. Это происходит потому, что температура кристаллизации из оставшейся аморфной фазы повышается, и фаза становится более стабильной через обогащение Nb и В. Используются синергетические эффекты: Cu, что приводит к зарождению ОЦК Fe, и Nb, который подавляет рост зерна и создает единую и очень тонкую нанокристаллическую микроструктуру [18].

Обычно в мягких магнитных материалах, размер зерна которых превышает 1 мкм (например, Пермаллой), при уменьшении размеров зерна увеличивается коэрцитивная сила и снижаются магнитомягкие свойства стали. Полагая, что коэрцитивная сила обратно пропорциональна диаметру зерна. Таким образом, основные усилия по улучшению магнитно-мягких свойств были направлены на то, чтобы сделать размер зерен крупнее и / или сделать магнитный домен меньше в процессе отжига и обработки.

Тем не менее, FINEMET продемонстрировали новое явление: уменьшение размеров зерен, "до уровня нано-метровой", резко улучшает магнитомягкие свойства. В этом наноразмерном диапазоне, коэрцитивная сила прямо пропорциональна диаметрам порядка D2 в D6 (рис. 13). Это абсолютно противоречит обычным представлениям об улучшении магнитомягких свойств [18].

В таблице 3 приведены физические свойства двух типов термообработанных FINEMET материалов. FINEMET имеет высокое сопротивление, как аморфные металлы, и более низкую магнитострикцию. Температура Кюри примерно на 570 ° С выше, чем Fe на основе аморфного металла. FT-3 - это улучшенная версия FT-1.

Рисунок 13 - Соотношение размеров зерна и коэрцитивной силы [18]

Таблица 3 - Сравнение физических характеристик FINEMET материалов [18].

В таблице 4 представлены стандартные магнитные характеристики материалов FINEMET и традиционных материалов.

Из таблицы видно, что свойства материалов FINEMET в совокупности превосходят свойства своих конкурентов. При наименьшей толщине в 18мкм, проигрывая по величине магнитной индукции только аморфным материалам на основе железа и Пермаллою, обходят их по значениям коэрцитивной силы, что объясняет высокий спрос на магнитомягкие сплавы FINEMET.

Таблица 4 - Стандартные магнитные характеристики [18].



Заключение

Изучение наноструктур позволяет открывать новые свойства материалов, чем сейчас активно занимаются материаловеды. Подтверждением служат уникальные магнитные свойства материалов при наноразмерном диапазоне зерна, используемые при производстве магнитных мягких материалов.

Целью работы было ознакомление с литературой, рассмотрение методов получения наноструктурированных материалов из аморфного состояния, представление ключевых аспектов по данной теме.

В ходе обзора литературы были выявлены основные методы получения консолидированных наноматериалов, наиболее распространённые из них были рассмотрены подробнее. Отдельное внимание было уделено стеклокристаллическим материалам, в разделе о которых были представлены результаты некоторых современных исследований в области объёмных металлических стёкол, и нанокристаллическим материалам с магнитомягкими свойствами FINEMET. Также была проведена небольшая сравнительная характеристика, по результатам которой очевидно, что вышеуказанные сплавы не уступают своим аналогам, а по некоторым характеристикам даже обходят их.

Данные этой курсовой работы могут быть использованы в дальнейшем в учебной деятельности студентов.



Список использованных источников

1. Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов. URL: http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1371 (дата обращения 27.10.2015).

2. Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия «Аморфное состояние». URL: http://megabook.ru/article/Аморфноесостояние (дата обращения 15.11.2015).

3. Gleiter H. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure//Acta Materialia.-2000.-V.48.-P.1-29.

4. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Издательский центр «Академия», 2005.-192 с.

5. Макарчук М.В., Королев А.П. Физика тонких плёнок: конспект лекций. - Тамбов: Изд-во ТГУ им. Г.Р. Державина, 2013.- 44 с.

6. Глезер А.М., Пермякова И.Е. Нанокристаллы, закаленные из расплава. -- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. -- 359 с.

7. Studfiles.ru URL: http://www.studfiles.ru/preview/1720241/page:3/ (дата обращения 22.11.2015)

8. Порозова С.Е., Кульметьева В.Б. Получение наночастиц и наноматериалов: учеб. пособие. - Пермь: Изд-во Перм.гос.техн.ун-та, 2010.-135 с.

9. Кекало И.Б. Нанокристаллические магнито-мягкие материалы: курс лекций. - М.: Изд-ва МИСиС, 1999. - 227 с.

10. 900igr.ne URL: http://900igr.net/fotografii/khimija/Amorfnye/003-2.-Ionno-plazmennoe-raspylenie.html (дата обращения 11.12.2015)

11. Справочник конструктора-приборостроителя. Проектирование. Основные нормы / В. Л. Соломахо, Р. И. Томилин, Б. В. Цитович, Л. Г. Юдовин. -- М.: Высшая школа, 1988. -- С. 130. -- 272 с.

12. Будущее металлических стекол/ Лузгин Д.В. //Наука МИСиС. 2015. URL: http://science.misis.ru/ru/views/859/13844/ (дата обращения 22.11.2015).

13. D.V. Louzguine-Luzgin, A. Inoue, “Bulk Metallic Glasses. Formation, Structure, Properties, and Applications” Handbook of Magnetic Materials, Edited by K.H.J. Buschow, Elsevier 21, 2013.- Р.131-171.

14. Орешкин A. И. JETP Letters./ А.И. Орешкин [и д.р.], 94, 2011.- С.58-62.

15. Рябов А.В., Окишев К.Ю. Новые металлические материалы и способы их производства: учебное пособие. -- Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. -- 64 с.

16. Журнал «Популярная механика». URL: http://www.popmech.ru/science/15035-metallicheskoe-steklo-kak-pobedit-khrupkost/ (дата обращения 22.11.2015).

17. Enhanced fatigue endurance of metallic glasses through a staircase-like fracture mechanism./ Gludovatz B., Demetriou MD., Floyd M., etc.// Proc.Natl.Acad.Sci.USA.-2013.-V.110(46):18419-24.

URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24167284 (дата обращения 28.11.2015).

18. McHenry M.E., Willard M. A., Laughin D. E. Amorphous and nanocrystalline materials for applications as soft magnets/ // Prog. Mater. Sci.- 1999.- V. 44, Р. 291-433.

19. Hitachi-Metals, Ltd. URL: http://www.hitachi-metals.co.jp/e/products/elec/tel/p13_05.html (дата обращения 27.09.2015).

Размещено на Allbest.ru

...