Исчерпывающее руководство по аморфным металлам

1. Введение в аморфные металлы

Аморфные металлы, также известные как металлические стекла, представляют собой уникальный класс материалов, характеризующихся неупорядоченной атомной структурой. В отличие от кристаллических металлов, которые имеют регулярное, повторяющееся расположение атомов, аморфные металлы лишены этого порядка, что обусловливает их особые свойства. Отсутствие кристалличности придает им сочетание высокой прочности, эластичности и коррозионной стойкости, что делает эти материалы весьма востребованными для различных современных применений.

[1]

2. Методы производства

Аморфные металлы обычно получают путем быстрого охлаждения, которое не позволяет атомам выстроиться в кристаллическую структуру. К распространенным методам относятся:

• Вращение расплава: Расплавленный металл быстро охлаждается на вращающемся колесе, образуя тонкие ленты. Этот метод широко используется при производстве аморфных металлических лент для трансформаторов и других магнитных устройств.
• Закалка брызг: капля расплавленного металла быстро охлаждается между двумя холодными поверхностями, образуя тонкие плоские диски из аморфного металла. Этот метод используется в лабораторных условиях для быстрого анализа материалов и мелкосерийного производства.

[2]

• PVD (физическое осаждение из паровой фазы): Атомы металла осаждаются на подложку в вакуумной среде, что позволяет контролировать формирование аморфных пленок. Эта техника широко используется в электронной промышленности для создания тонких пленок с определенными магнитными или оптическими свойствами.

3. Свойства и применение

Аморфные металлы обладают уникальными свойствами, включая высокую прочность, эластичность и коррозионную стойкость:

• Высокая прочность: Аморфные металлы часто имеют более высокую прочность на разрыв по сравнению с их кристаллическими аналогами из-за отсутствия границ зерен. Например, сплавы металлического стекла, такие как Vitreloy 1, имеют прочность на разрыв до 1,9 ГПа, что значительно выше, чем у обычной стали.
• Упругость: Эти металлы могут испытывать значительную упругую деформацию, что делает их очень прочными. Аморфные металлы могут подвергаться упругой деформации до 2 % по сравнению с кристаллическими металлами, которые обычно демонстрируют упругую деформацию около 0,2 %.
• Устойчивость к коррозии: Отсутствие границ зерен и однородная структура обеспечивают отличную устойчивость к коррозии. Например, металлические стекла на основе Zr продемонстрировали превосходную коррозионную стойкость в соленой среде, что делает их идеальными для применения в морских условиях.
• Магнитные свойства: Некоторые аморфные металлы обладают мягкими магнитными свойствами, что делает их полезными в сердечниках трансформаторов и магнитных экранах. Например, сплавы на основе аморфного железа обладают меньшей коэрцитивной силой и потерями в сердечнике, чем кристаллическое железо, что повышает энергоэффективность трансформаторов.
• Электрическое сопротивление: Высокое электрическое сопротивление - еще одна примечательная особенность, которая может быть полезной в таких специфических областях применения, как резисторы и магнитные датчики.

Благодаря своим уникальным свойствам аморфные металлы находят применение в различных отраслях промышленности:

• Электроника: Используются в сердечниках трансформаторов и индукторах, особенно в высокочастотных приложениях, где низкие потери энергии имеют решающее значение. Например, сердечники из аморфных металлов позволяют снизить потери энергии на 70 % по сравнению с традиционными сердечниками из кремниевой стали.
• Биомедицинские устройства: Биосовместимость и устойчивость к коррозии делают их подходящими для медицинских имплантатов и хирургических инструментов. Металлические стекла на основе Zr особенно часто используются в стентах и ортопедических имплантатах.
• Спортивные товары: Используются в высокопроизводительном спортивном оборудовании, таком как клюшки для гольфа и теннисные ракетки, благодаря своей прочности и эластичности. Эластичность металлического стекла способствует лучшей передаче энергии, повышая производительность оборудования.
• Оборонная и аэрокосмическая промышленность: Используется в легкой броне и структурных компонентах, требующих высокого соотношения прочности и веса. Покрытия из аморфных металлов также используются для защиты аэрокосмических компонентов от износа и коррозии.
• Бытовая электроника: Используются в корпусах и структурных компонентах благодаря своей прочности и устойчивости к царапинам. Например, в корпусе часов Apple Watch используется сплав металлического стекла благодаря его прочности и гладкости.

4. Проблемы и разработки

Тем не менее, аморфные металлы сталкиваются с рядом проблем, которые ограничивают их широкое распространение и применение. Среди основных препятствий - стоимость производства, ограничения по размерам и хрупкость, каждая из которых представляет собой значительное препятствие в различных контекстах.

Самая главная проблема - высокая стоимость производства. Процесс быстрого охлаждения расплавленного металла для предотвращения кристаллизации требует специализированного оборудования и точного контроля, что делает процесс производства сложным и дорогим. Необходимость быстрого охлаждения часто требует использования современного дорогостоящего оборудования, что ограничивает возможности масштабного производства аморфных металлов. Поэтому их применение ограничивается только дорогостоящими сферами, где преимущества перевешивают затраты на производство.

Еще одним существенным ограничением является сложность производства крупных объемных компонентов из аморфных металлов. Быстрое охлаждение, необходимое для поддержания аморфной структуры, становится все более сложным по мере увеличения размера компонента. В результате большинство аморфных металлов в настоящее время доступны только в небольших формах, таких как ленты, проволока или тонкие листы. Это ограничение ограничивает их применение небольшими изделиями и нишевыми рынками.

Кроме того, хрупкость остается критической проблемой, особенно в конструкционных приложениях, где материалы должны выдерживать значительные нагрузки и деформации. Хотя аморфные металлы славятся своей прочностью, отсутствие кристаллической структуры может привести к хрупкости, что делает их склонными к разрушению при определенных условиях. Такая хрупкость особенно проблематична в тех случаях, когда требуются материалы, способные поглощать удары или подвергаться деформации без разрушения.

В ответ на эти проблемы в области аморфных металлов были достигнуты значительные успехи:

• объемные металлические стекла (BMGs): Разработка более крупных компонентов из аморфных металлов для промышленного использования. Например, были разработаны BMG с улучшенной пластичностью, что делает их более подходящими для структурного применения в автомобильной и аэрокосмической промышленности.

[3]

• Передовые сплавы: Создание новых композиций, улучшающих свойства аморфных металлов, например, повышающих пластичность или коррозионную стойкость. Металлические стекла на основе Pd и Cu отличаются улучшенными механическими свойствами.
• Аддитивное производство: Изучение возможностей использования методов 3D-печати для создания сложных структур из аморфных металлов. Этот подход может произвести революцию в производстве специализированных компонентов с улучшенными свойствами, таких как зубные имплантаты и сложные аэрокосмические детали.

5. Аморфные металлы против металлических стекол

Термины "аморфные металлы" и "металлические стекла" часто используются как взаимозаменяемые. Они относятся к одному и тому же классу материалов. Однако существуют тонкие различия в использовании этих терминов, которые важно понимать.

--Аморфные металлы

Аморфные металлы - это металлы с неупорядоченной атомной структурой, в которой отсутствует регулярная, повторяющаяся структура, характерная для кристаллических металлов. Такая неупорядоченная структура достигается за счет быстрого охлаждения расплавленного металла, что не позволяет атомам выстроиться в кристаллическую решетку.

Термин "аморфный металл" подчеркивает атомный беспорядок металла и часто используется при обсуждении более широкой категории, включая различные методы производства и применения.

-Металлические стекла

Металлические стекла - это подмножество аморфных металлов, которые имеют стеклоподобную структуру. Этот термин подчеркивает некристаллическое, "стеклообразное" состояние материала, похожее на обычные стекла, такие как кварцевое стекло, но изготовленное из металлических сплавов.

Термин "металлическое стекло" часто используется в научных и академических контекстах, особенно при обсуждении физико-механических свойств, связанных со стеклообразным состоянием, таких как хрупкость и упругое поведение.

В целом, хотя "аморфные металлы" и "металлические стекла" относятся к одному и тому же общему типу материалов, первый термин шире и чаще используется в промышленных контекстах, в то время как второй более специфичен и часто используется в научных исследованиях для описания стеклообразных характеристик этих материалов. Понимание этих различий может помочь в точном описании свойств материала и его потенциального применения.

6. Заключение

Аморфные металлы с их уникальной неупорядоченной атомной структурой представляют собой значительное достижение в материаловедении. Сочетание высокой прочности, эластичности и коррозионной стойкости отличает их от традиционных кристаллических металлов, что делает их незаменимыми в электронике, биомедицинских устройствах, оборонной и аэрокосмической промышленности.

Несмотря на трудности, связанные с высокой стоимостью производства, ограничениями по размерам и хрупкостью, продолжающиеся исследования и инновации позволяют расширить границы возможностей этих замечательных материалов. Поскольку промышленность ищет материалы, способные удовлетворить требования современных технологий и инноваций, аморфные металлы способны определить будущее высокопроизводительных приложений. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, обратитесь к Stanford Advanced Materials (SAM).

Ссылки:

[1] Новости Калифорнийского университета (2021, 31 марта). Столетняя проблема решена с помощью первого в истории атомного 3D-изображения аморфного твердого тела. Retrieved August 20, 2024, from https://newsroom.ucla.edu/releases/first-ever-3d-atomic-imaging-amorphous-solid

[2] Y.C. Xin, P.K. Chu, 11 - Plasma immersion ion implantation (PIII) of light alloys, Editor(s): Hanshan Dong, In Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering, Surface Engineering of Light Alloys, Woodhead Publishing, 2010, Pages 362-397, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781845695378500117

[3] Венский университет (2024, 20 августа). Структурные неоднородности в объемных металлических стеклах. Retrieved August 20, 2024, from https://sounds-of-matter.univie.ac.at/research-projects/metallic-glass/