Свойства некоторых аморфных материалов

Существует несколько способов получения аморфных материалов. Среди них выделяются три основные группы [59]:

  • - нанесение на подложку путем распыления (испарение в вакууме, напыление, электролитическое осаждение, осаждение в разряде и т. д.);
  • - быстрое охлаждение расплава (превращение капли из тонкой струи расплава в пленку или ленту и охлаждение за счет теплообмена с металлической подложкой, раздробление жидкого металла газовой струей и охлаждение образовавшейся массы в газовом потоке, жидкой среде иди на твердой поверхности, вытягивание микропровода в стеклянной оболочке, расплавление поверхности лазерным или аяектронным пучком и охлаждение за счет теплообмена с нерасплавленной частью материала и т. д.);
  • - ионная имплантация.

Остановимся на объектах, получаемых при помощи второй группы методов. В основном это аморфные металлические сплавы. Аморфизация таких материалов, которые часто называют металлическими стеклами, требует скоростей охлаждения до 10го К/с. Процесс образования неупорядоченной структуры связан с «замораживанием» высокотемпературной структуры вещества вследствие резкого уменьшения подвижности частиц в веществе. Температуру, при которой структура перестает меняться, называют температурой стеклования Тд.

Перспективность использования металлических стекол определяется их высокой технологичностью и получением материадов с новыми физическими свойствами. Сейчас наиболее изученными являются электрические, магнитные, антикоррозионные, механические свойства, сопротивляемость радиационному воздействию и т. д. Рассмотрим некоторые из них.

Электрические свойства металлических стекол Электрические свойства аморфных материалов по сравнению со свойствами кристаллических характеризуются более высокими значениями аяектросопротивле- ния и более слабой зависимостью электросопротивления от температуры. Эти наиболее общие факты иллюстируются в табл. 15.1 [114].

Таблица 15.1. Удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления металлических стекал в аморфном и кристаллическом состояниях

Сплав

p (mkOm-cm)

а10-4-1)

Аморфный

Кристаллический

Аморфный

Кристаллический

PdeeSiir

62

20

1,7

40

Ni32Pd53Pi5

115

38

2,2

21

Pd73Ag7Si2o

97

40

-

16

La8o AI20

171

108

0,45

-

FesoB2o

140

-

1,0

-

Ti5oBe.4oZrio

300

-

-2,0

-

Таблица показывает, что электрическое сопротивление аморфных сплавов в два-три раза выше, чем соответствующие значения для кристаллических. Интересно ведет себя температурный коэффициент сопротивления. Эта величина не только на порядок убывает при переходе к аморфному состоянию, но и может даже менять знак, как это происходит для сплава TisoBe^Zrio- Подобная ситуация характерна и для электрических свойств жидких металлов. Необычно ведет себя постоянная Холла, которая для многих аморфных сплавов имеет положительные значения.

Электрические свойства металлических стекол согласуются с представлением о том, что из-за потери трансляционной симметрии в аморфных материалах длина свободного пробега атектронов становится существенно меньше, чем в кристаллических веществах с аналогичным химическим составом. В то же время проводимость стекла остается металлической, что указывает на высокую плотность состояний атектронов в окрестности уровня Ферми.

Механические свойства

Механические свойства аморфных сплавов представляют немалый научный и практический интерес. Вследствие отсутствия дальнего порядка в расположении атомов становится невозможным дислокационный механизм снижения предела прочности, в связи с чем для этих материалов предел прочности должен приближаться к теоретическим значениям. Кроме того, эти материалы не должны быть пластичными, поскольку процесс скольжения или вовсе невозможен, или сильно затруднен.

Основные экспериментальные данные показывают, что предел прочности металлических стекая действительно очень высок и, например, у аморфных сплавов на основе железа он больше, чем у самых прочных сталей. Деформация носит характер негомогенного сдвига при низких температурах и гомогенного вблизи температуры стеклования. Интересным обстоятельством является возникновение при деформации своеобразных очагов локализованного сдвига, ответственных за протекание процесса деформации. Относительное удлинение при растяжении в условиях низких температур весьма мало (примерно 0,1%), и аморфные материалы отличаются высокой хрупкостью. В то же время они могут быть подвергнуты значительному изгибу или сжатию. В отличие от кристаллов, аморфн ные стекла не обладают способностью к деформационному упрочнению. Это связано с тем, что при деформации структура в целом не меняется.

Сопротивляемость радиационному воздействию Разработка принципов создания материалов, способных выдерживать высокие радиационные нагрузки. — одна из актуальных задач физики твердого тела, и аморфные материалы оказываются одним из интереснейших объектов в этой сфере. Это связано с тем, что в них не могут возникать дефекты, типичные для кристаллов. Имеющиеся данные [114] показывают, что некоторые аморфные сплавы, например Pd-Si, не теряют своих прочностных характеристик и после значительного радиационного воздействия. К сожалению, ряд интересных в практическом отношении аморфных материалов содержит элементы (например бор) с высоким сечением захвата нейтронов. Поэтому при создании материалов с «высокими» физическими свойствами и одновременно с высоким сопротивлением действию радиации необходимо уделять особое внимание выбору состава сплава. Следует также учитывать возможную кристаллизацию под действием радиации.

Магнитные свойства

В работе [115] впервые было обращено внимание на то, что ферромагнетизм обусловлен обменным взаимодействием в основном между ближайшими атомами в структуре и что по этой причине он должен сохраняться и при переходе сплавов в аморфное состояние. Первое важное обстоятельство — магнитный момент сплавов определяется их составом, а не наличием или отсутствием трансляционной симметрии. Поскольку использующиеся к настоящему времени аморфные сплавы часто содержат заметную долю немагнитных атомов металлоидов (Р, С, В, ...), часть электронов которых способна частично заполнять .'W-зону переходного металла, то магнитный момент таких сплавов, приходящийся на атом переходного металла, оказывается ниже, чем у кристаллических аналогов. Так, в типичных аморфных сплавах, содержащих приблизительно 20% атомов металлоида, на атом Fe приходится магнитный момент 2//д. на атом Со — 1,0 рв ? на атом Ni — 0 цв- Соответствующие значения в металлических сплавах 2,2; 1,6; 0,6. Однако, оказалось, что существуют сплавы, д.ля которых аморфизация влияет на магнитный момент другим образом, повышая его по сравнению с кристаллами. К таковым относятся сплавы переходных и редкоземельных элементов. Вероятное объяснение этого состоит в том, что при аморфизации меняется характер взаимного расположения атомов переходных и редкоземельных металлов.

Другое важное обстоятельство: при переходе в аморфное состояние может меняться тип магнитного порядка (взаимного расположения и ориентации магнитных моментов атомов). Так, в сплавах GdCii2, GdAg и MnPt аморфизация приводит к переходу от антиферромагнитного состояния к ферромагнитному. Одновременно меняется и температура магнитного фазового перехода (температура Кюри). При этом если для GdAg эта температура понижается, то для GdCu-2 она, наоборот, растет. Это означает, что аморфизация приводит к коренному изменению магнитных свойств вещества.

Наконец, в однородном изотропном аморфном сплаве должна отсутствовать макроскопическая магнитная анизотропия. Однако за счет спин-орбитального взаимодействия различного типа неоднородностей в аморфных магнетиках все же возникает случайная анизотропия. Чаще всего она оказывается слабой, и в этом случае низкие значения магнитной анизотропии приводят к легкости пере- магничивания аморфных сплавов. В связи с этим многие аморфные магнетики относятся к классу магнитно-мягких материалов. Так, типичные коэрцитивные силы этих материалов 0,01-0,2 Э, что значительно меньше соответствующих значений для кристаллических сплавов того же состава. Петля гистерезиса мала и имеет прямоугольную форму, вытянутую вдаль оси магнитной индукции. Сравнительный вид петель гистерезиса аморфных и кристаллических магнетиков показан на рис. 15.12.

Петли гистерезиса аморфных (а) и кристаллических (б) сплавов

Рис. 15.12. Петли гистерезиса аморфных (а) и кристаллических (б) сплавов

Немаловажное значение имеют также магнитные свойства аморфных магнетиков в переменных магнитных полях. Для этих материалов уровень магнитных потерь в десятки раз ниже, чем для кристаллических. Однако аморфные магнетики не всегда магнитно-мягкие материалы. Например, сплав Tb-Fe при гелиевых температурах отличается четко выраженными свойствами магнитнотвердого материала (большая петля гистерезиса).

Приведенные данные показывают, что аморфные материалы обладают интересными физическими свойствами, которые могут быть использованы и уже используются на практике. По ряду характеристик аморфные материалы не только не уступают своим кристаллическим аналогам, но и превосходят их.

Приложение А

Таблица А. I

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >