Области применения аморфных материалов

В настоящее время аморфные металлические сплавы - не только объекты для фундаментальных научных исследований, они представляют собой новый класс промышленных материалов, предназначенных для применения в реальных приборах и устройствах современной техники. Несмотря на то, что аморфные материалы исследуются и используются достаточно давно, нельзя с уверенностью говорить о том, что известны все возможности их промышленного применения. Поэтому можно утверждать, что аморфные металлические материалы с их необычным комплексом физико-химических свойств обладают большими потенциальными возможностями:

Технология получения АМС путем закалки из жидкого состояния позволяет физикам и материаловедам открыть целый ряд новых физических явлений и свойств и использовать их во многих научных исследованиях и практических приложениях.

Доказано, что диффузия атомов значительно ускоряется при наличии межфазных границ и границ зерен: меньшая скорость диффузии характерна для монокристаллических слоев, в которых доминирует диффузия по узлам решетки.

Экспериментально получены результаты, которые показали, что для большого числа материалов диффузия по узлам решетки наиболее заметна при 0,7Тпл. тогда как диффузия по границам зерен при 0,5Тпл. Из этого следует выбор технологии производства микроэлектронных приборов с монокристаллическими слоями, однако при существующем уровне развития технологии это трудно осуществить. Отсутствие в АМС границ зерен и дислокаций, свойственных кристаллическому состоянию, приводит к тому, что структура их гомогенна, диффузия по вакансиям более замедленна, т.к. дефекты, подобные вакансиям, в аморфных сплавах часто имеют меньшие размеры по сравнению с вакансиями кристаллической решетки. Это позволяет считать АМС потенциальными материалами для использования их в качестве барьерных слоев, предотвращающих диффузию.

Важным преимуществом АМС является относительная технологическая простота воспроизводства геометрических конфигураций покрытий на больших площадях. Эта особенность, вместе со способностью к получению в едином технологическом цикле полупроводниковых и изолирующих слоев, делает АМС перспективными для применения в микроэлектронике. Аморфные сплавы типа: Ni-Nb, Ni-Mo, Mo-Si, W-Si рекомендуются как новый класс материалов для металлизации: могут применяться в качестве первичной металлизации и барьеров против диффузии, а также коррозионно стойких покрытий. Основным недостатком предлагаемых АМС является относительно низкая температура кристаллизации (850-1000 К), которая не позволяет применять их в технологическом процессе с нагревом выше 1000 К. В последние годы разработаны новые АМС, которые остаются аморфными даже при нагреве до 1300-1400 К. Это сплавы рения с танталом, титаном, ниобием. При этом повышается термическая устойчивость металл -полупроводниковых контактов при использовании АМС.

Аморфные материалы, имеющие высокие характеристики твердости, прочности и пластичности, могут найти применение в конструкциях в сочетании с пластмассами и резинами при изготовлении пружин и малогабаритного режущего инструмента. Твердость и прочность аморфных материалов сильно изменяются в зависимости от химического состава: например, в сплавах на основе элементов подгруппы железа (Fe,Co,Ni) твердость по Виккерсу HV может достигает значений > 1000, а прочность ~ 4,0 Гн/м2. Эти значения выше максимальных значений прочности и твердости используемых в настоящее время металлических материалов: прочность проволоки из некоторых аморфных сплавов на основе железа примерно на 1,0 Гн/м2 выше прочности кристаллической проволоки. Значения о/Е для аморфных сплавов равны 0,02-0,03, что сравнимо со значением а/Е=0,05, отвечающего теоретической прочности. Для используемых в настоящее время металлических материалов отношение предела прочности о к модулю Юнга Е составляет всего 10'5-Ч0’2. Например, прочность кристаллической проволоки, самой прочной из стальных изделий, близка к 3,0 Гн/м2, а модуль Юнга равен 210 Гн/м2 тогда отношение о/Е равно ~0,015. Приведенные выше данные позволяют назвать аморфные металлы высокопрочными материалами. Преимуществом аморфных металлов является чрезвычайно высокая вязкость разрушения. Кристаллические металлы обычно легко разрушаются в результате скола по кристаллографическим плоскостям. В аморфных металлах, где отсутствуют какие либо кристаллографические плоскости, разрушение сколом не наблюдается. Концентрация напряжений в вершинах трещин в аморфных металлах сопровождается большой пластической деформацией, поэтому энергия, необходимая для распространения трещин в таком материале, становится чрезвычайно высокой.

Основными ограничениями широкого использования аморфных металлов являются:

  • - высокая стоимость сырья;
  • - недостаточная устойчивость против нагрева;
  • - невозможность получения аморфного материала в ином виде, чем лента.

Однако с разработкой технологии вытягивания волокон из вращающегося барабана появилась возможность получать проволоку круглого сечения( диаметром до 200 мкм) из аморфных сплавов на основе железа. Примером высокопрочного аморфного сплава на основе железа является сплав химического состава FevsSiioBis, который по своей прочности превосходит даже стальную «рояльную» проволоку. Рассматриваются перспективы его использования в качестве шинного корда.

С химической точки зрения аморфные металлы являются совершенно новым классом материалов, из-за особенностей их структуры. Такие дефекты, как границы зерен и дислокации, характерные для кристаллов, в аморфных металлах отсутствуют. В аморфных металлах, полученных закалкой из жидкого состояния, вследствие высоких скоростей охлаждения (более 103К/с) отсутствуют дефекты, присущие обычным металлам. В аморфных металлах отсутствуют скопления дислокаций и скопления примесей, вытесняемых к границам зерен и другие подобные неоднородности. Структура аморфных металлов является наиболее однородной твердой структурой, полученной в настоящее время при современном развитии технологии.

Доказано, что коррозия обычных кристаллических материалов начинается на тех участках поверхности, где проявляется химическая неоднородность. Поскольку аморфные металлы являются более однородными в химическом отношении структурами, они более устойчивы к коррозии.

Магнитные сплавы

В настоящее время для записи и хранения информации применяются ферромагнитные материалы. С целью увеличения плотности информации разрабатываются материалы, у которых размер единичного носителя не превышает 1 мкм. Такие носители имеют большую коэрцитивную силу (от 1500 до 2000 эрстэд). Коэрцитивная сила - напряженность магнитного поля, необходимая для полного размагничивания предварительно намагниченного ферромагнетика). Чтобы использовать такие носители, необходимы магнитные головки, основным рабочим элементом для которых должны служить АМС. Традиционный феррит не может быть использован, поскольку индукция насыщения в магнитных головках из него не превышает значений

0,45-0,50 Тесла, а хрупкость и кристалличность не позволяют получать рабочую часть головки размером менее 10 мкм. Используя технологию напыления из АМС, можно получить магнитную головку с индукцией от 1,0 до 1,4 Тесла любых малых размеров, способной перемагничивать частичку величиной 0,01 мкм.

В зависимости от значения коэрцитивной силы (Нс) материалы делятся на магнитомягкие (Нс<4 кА/м) и магнитотвердые (Нс>4 кА/м). Первые используют в магнитопроводах, вторые - в постоянных магнитах. Аморфные сплавы перспективны для широкого практического применения именно в качестве магнитомягких материалов. По магнитной проницаемости и величине магнитных потерь большинство аморфных сплавов конкурирует с кристаллическими Fe - Ni сплавами типа пермаллой и супермаллой, но гораздо дешевле последних. По сравнению с производством высококачественных кристаллических магнитных сплавов изготовление аморфных лент непосредственно из расплава быстрее и не требует дорогого громоздкого оборудования. Величина магнитной проницаемости некоторых аморфных сплавов после термомеханических или термомагнитных обработок (например, для сплавов Fe4oNi4OPi4B6; Fe29Ni29Pi4B6Si2; Co7oFe5Sii5Bio) значительно превосходит соответствующие значения для лучших кристаллических промышленных Fe-Ni и Fe-Ni-Mo сплавов.

Аморфные сплавы с повышенной индукцией насыщения (Fe8oB2o; Ре80Р1бСзВ1; Fe 80В14Сб; Fe8oNi3CoiB5C5Si2) перспективны для использования в мощных трансформаторах вместо кристаллических Fe - Si сплавов (типа силектрон и микрозил), которые по сравнению с аморфными сплавами имеют более высокие магнитные потери, хотя и превосходят их по величине индукции насыщения. Использование аморфных магнитных сплавов предпочтительнее, если:

  • - имеется необходимость в повышенной индукции, по сравнению с кристаллическим Fe-Ni и Fe-Ni-Mo сплавами типа пермаллой;
  • - или в пониженных магнитных потерях, по сравнению с Fe-Co и Fe-Si сплавами типа супермендер, силектрон и микрозил.

Аморфные магнитные материалы на основе систем Fe-B, Fe-P-C, Fe-Ni-B, Fe-Ni-P-C, Fe-Ni-B-P, Co-Si-B с бором находят широкое промышленное применение для изготовления сердечников трансформаторов, магнитофонных головок, различных типов фильтров, в магнитных преобразователях, усилителях, элементах магнитной памяти, индукторах, заземляющих реле, в устройствах для размыкания цепи при повреждении заземления и для других целей. Эффективно проявили себя магнитные фильтры, изготовленные из аморфных лент, предназначенных для обработки сточных вод. Преимущество этих фильтров состоит:

  • - в высокой намагниченности насыщения;
  • - в низкой остаточной индукции;
  • - в стабильности магнитных свойств в сильных магнитных полях и под напором воды;
  • - в высокой химической стойкости, широко используются для этих целей сплавы типа Fe-Ni-P .

Аморфные сплавы используются для изготовления экранов, с магнитной защитой. Эти экраны получают путем сплетения узких аморфных лент из сплавов (Fe40Ni40Pi4B6), которые имеют коэффициент экранирования, сравнимый с таковыми для экранов, изготовленных из кристаллических Ni-Fe сплавов. Их преимущество заключается в следующем:

  • - меньшая чувствительность магнитных свойств к различным механическим воздействиям;
  • - экранам из аморфных лент можно придавать практически любую геометрическую форму без разрушения или ухудшения магнитных свойств; это обстоятельство особенно важно, если учесть невысокие прочностные свойства традиционных материалов для магнитных экранов.

Проблема широкого промышленного освоения аморфных магнитных материалов и расширения областей их технической применимости неразрывно связана как с проблемой изыскания новых сплавов с улучшенными магнитными свойствами, так и с вопросами совершенствования технологии их получения.

Сплавы со специальными акустическими свойствами

В устройствах задержки ультразвуковых линий обычно применяют поликристаллические металлы и сплавы, которые имеют высокие потери ультразвука из-за рассеивания ультразвуковых волн на границах зерен и сильного взаимодействия между акустическими и тепловыми фононами. В аморфных металлах и сплавах звуковые волны распространяются с минимальными потерями вследствие отсутствия межзеренных границ и быстрой релаксации тепловых фононов. Применение аморфных сплавов в акустических линиях задержки приводит к значительному эффекту:

  • - снижению затухания звуковых волн;
  • - увеличению рабочей частоты;
  • - получению более широкой полосы пропускания и большего времени задержки;
  • - снижению температурного коэффициента скорости звука;
  • - уменьшению габаритов и массы устройств.

Сравнение акустических характеристик аморфного сплава (Pd77)5Sii6,5Ag6) с характеристиками традиционных материалов, применяемых в различных линиях задержки, показывает, что во всех случаях затухание звука в аморфном сплаве существенно ниже, чем в традиционно используемых материалах: плавленом кварце, поликристаллических алюминии и Fe-Ni сплаве. При этом для аморфных сплавов скорость затухания звука растет пропорционально квадрату частоты колебаний, тогда как для обычных материалов -пропорционально четвертой степени частоты. Таким образом, использование аморфных сплавов позволяет создавать задерживающие устройства, работающие на более высоких частотах, с более широкими полосами пропускания и временем задержки, чем любое из устройств, где применяются обычные материалы. Подбирая оптимальный состав сплава, можно получить максимальное снижение температурного коэффициента задержки и скорости распространения звуковых волн. Перспективными материалами для этих целей являются сплавы на основе систем: Pd-Si, Pd-Cu-Si, Pd-Ni-Cu, Pd-Ni-Si, Pd-Ag-Si, Cr-P-B-Si, Ni-Al-P-B,

Fe-Al-P-C, Fe-Ni-P-B, Fe-Ni-P-B, Ni-Cr=Co-P-B. Необходимым условием эффективного применения аморфных сплавов в линиях задержки является высокое качество поверхности аморфной ленты или проволоки, а также отсутствие различных внутренних дефектов и кристаллических включений.

Резистивные сплавы

Аморфные металлические сплавы представляют интерес как резистивные материалы с металлическим типом проводимости. Важной рабочей характеристикой резистивных аморфных сплавов является высокое удельное электрическое сопротивление. Такие сплавы получают сверхбыстрым охлаждением из жидкого состояния, в том числе и методом литья микропроводов в стеклянной изоляции, без применения дополнительной термообработки. Технология получения резисторов непосредственно из расплава позволяет исключить трудоемкие технологические операции, которые необходимы при изготовлении резисторов из кристаллических металлов и сплавов.

Аморфные сплавы с успехом применяются в прецизионных резисторах и низкотемпературных термометрах сопротивления. Практическое применение резистивных аморфных сплавов в высокотемпературном рабочем диапазоне сдерживается невысокой температурной стабильностью этих материалов. Поэтому более перспективными в этом отношении оказались быстро закаливаемые сплавы с ультрадисперсной кристаллической структурой, которые обладают стабильностью электрических свойств до температур 600700°С. К ним можно отнести микрокристаллические сплавы (Ti-Zr-Al-W) с удельным электросопротивлением ~ 400 мкОмсм.

Химически стойкие сплавы

Большинство металлических сплавов в аморфном состоянии характеризуются повышенной химической стойкостью к различным агрессивным средам по сравнению с кристаллическими сплавами тех же составов. В то же время степень повышения стойкости при аморфизации сильно зависит от химического состава сплава.

Р азработан ряд сплавов, практически не подвергающихся

коррозии даже в самых агрессивных средах: это сплавы на основе Fe-Cr-P-C, Ti-Ni-Si, Pd-Ir-Ti-P. Однако существующий сортамент аморфных сплавов, в основном в виде порошков и тонких лент, ограничивает использование этих сплавов в качестве коррозионно-стойких конструкционных материалов для изготовления крупногабаритных деталей сложной конфигурации. В тоже время высокая химическая стойкость позволяет успешно применять их в приборах и устройствах для работы в различных газовых и жидких агрессивных средах.

Аморфные сплавы состава: Pd46Zr3oTi5Pi9 и Pd4iIr3ORuioPi9 успешно применяются в средах, содержащих ионы хлора и имеют высокую химическую стойкость, сравнимую с палладиевыми сплавами с кристаллической структурой.

Конструкционные сплавы

Наиболее широкое применение высокопрочные аморфные сплавы на основе железа (в виде плоской ленты или проволоки с различной конфигурацией поперечного сечения) в качестве упрочняющей арматуры, находят в различного рода композитах. Кроме высокой прочности, основными факторами для широкого применения аморфных сплавов в композитах являются достаточная простота и дешевизна их массового производства. Процесс получения аморфной ленты и проволоки непосредственно из расплава в 3-4 раза менее энергоемок, чем традиционные технологии прокатки и волочения. Отходы на стадиях подготовки металла и до готовой продукции минимальны, процесс достаточно производителен, при этом не требуется вспомогательного оборудования для проведения различных промежуточных технологических операций. Высокая прочность и сравнительно низкая стоимость производства - это два определяющих фактора их практического применения. Именно благоприятное сочетание этих факторов делает возможным применение аморфных сплавов для армирования разнообразных материалов в широких масштабах.

Аморфные ленты, сплетенные из них сетки используют для армирования строительных материалов, трубок высокого давления. Из аморфных лент изготавливают лезвия бытовых и медицинских режущих инструментов, а также миниатюрные детали различных приборов и устройств. Из аморфных материалов, обладающих высокой удельной прочностью, типа Ni-M (М-В, С, Р) изготавливают стрелки электрических приборов. По сравнению со стрелками из традиционных кристаллических материалов (например, алюминия), стрелки из аморфных сплавов, легче, эластичнее и прочнее. Они не деформируются при чрезмерном увеличении тока или напряжения, подающихся на прибор.

Перспективно применение аморфных сплавов для изготовления сердечников мощных крупногабаритных трансформаторов. Если обеспечить такую возможность - это привело бы к увеличению мощности электростанций на 75%, т.к. потери при использовании аморфных материалов обеспечивают снижение потерь мощности на эти же 75%.

Аморфные припои

Аморфные припои используются:

  • - для предварительной укладки припоя перед пайкой у зазора или в зазор спаиваемых деталей, наиболее удобными являются готовые припои в виде ленты, проволоки и штампованных из листа фасонных заготовок;
  • - большинство средне- и высокоплавких готовых промышленных припоев на основе двойных, тройных и четверных эвтектик являются в кристаллическом состоянии хрупкими или малопластичными, что делает невозможным получение из них лент, листов или проволоки традиционными методами обработки давлением;
  • - многие из известных промышленных припоев используют в виде порошков, фасонных прессованных заготовок, которые представляют собой смеси порошков припоя с испаряющимися при нагреве органическими связками;
  • - ввиду высокой прочности и пластичности аморфных припоев их применение позволяет существенно упростить и ускорить сборку деталей под пайку. Оказалось, что наиболее целесообразно применять их для пайки деталей телескопического типа, так как высокая гибкость и пластичность аморфных лент припоев позволяет производить их укладку в кольцевые зазоры или навивать на цилиндрические детали практически сколь угодно малого диаметра. Кроме того, с помощью операций вырезания или холодной штамповки из аморфных лент припоев легко получаются плоские фасонные заготовки, применяемые при стыковой пайке деталей.

Радиационно-стойкие сплавы и перспективы на будущее

Аморфные сплавы (типа Fe8oB2O и Pd8OSi2o ) рассматриваются как перспективные конструкционные материалы для атомной техники, в частности для изготовления термоядерных реакторов. Наиболее вероятно такие сплавы будут использоваться в качестве материалов для первой (защитной) стенки реакторов управляемого термоядерного синтеза.

Аморфные металлы часто называют материалами будущего, фантастическими материалами, что вызвано уникальностью методов их получения и особыми свойствами, не встречающимися у кристаллических металлов. Вероятно, в будущем аморфные сплавы получат широкое развитие, когда снизится стоимость технологий их изготовления.

Однако аморфные материалы не лишены недостатков:

  • - низкая термическая устойчивость;
  • - недостаточная стабильность характеристик во времени, что снижает их надежность;
  • - малые размеры получаемых из них полуфабрикатов: лент, проволоки, гранул;
  • - полная несвариваемость, поэтому аморфные металлы не пригодны для крупногабаритных конструкций.

Применение аморфных металлов, вероятно, будет ограничиваться только малогабаритными изделиями.

Начальный период изучения аморфных металлов уже миновал. Он был довольно длительным. В ближайшем будущем можно ожидать значительной интенсификации исследований и разработок, связанных с многообразными практическими применениями этих уникальных материалов.

Контрольные вопросы

  • 1. Какие вещества относятся к аморфным?
  • 2. Назовите характерные отличия аморфных от кристаллических тел.
  • 3. Условия для перехода из газообразного и жидкого в аморфное состояние?
  • 4. Некоторые особенности свойств, характерные для аморфных материалов.
  • 5. Какова основная цель методов получения аморфных сплавов?
  • 6. Каковы температуры перехода для металлических и неметаллических (силикатов и полимеров) аморфных материалов?
  • 7. Перечислите методы для получения аморфных металлических сплавов (АМС).
  • 8. Суть метода вакуумного напыления для получения АМС.
  • 9. Особенности методов распыления для получения АМС.
  • 10. Перечислите методы закалки из жидкого состояния для получения металлических аморфных пластинок.
  • 11. Назовите методы получения тонких аморфных пленок и их особенности.
  • 12. Какие методы получения аморфных порошков вы знаете?
  • 13. Области применения и возможные перспективы использования аморфных материалов (магнитные сплавы, сплавы со специальными акустическими свойствами, химически стойкие сплавы, конструкционные сплавы и др.).
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >