Аморфные металлы: свойства, получение и применение

В огромном мире материаловедения группа необычных материалов, известных как аморфные металлы или металлические стекла, привлекла внимание многих исследователей. В отличие от традиционных кристаллических металлов с их упорядоченным расположением атомов, аморфные металлы обладают уникальной неупорядоченной атомной структурой, которая обусловливает замечательный набор свойств. От их исключительной прочности и твердости до повышенной коррозионной стойкости и магнитных свойств аморфные металлы предлагают множество возможностей для различных применений во многих отраслях промышленности.

По своей сути аморфные металлы характеризуются отсутствием дальнего порядка в расположении их атомов. Этот беспорядок возникает из-за быстрого охлаждения расплавленных металлических сплавов, которое эффективно замораживает атомы в неупорядоченном состоянии, прежде чем они смогут сформировать правильную кристаллическую решетку. В результате получается материал со стекловидной некристаллической структурой, сочетающий в себе лучшие свойства металлов и стекол.

Одним из наиболее заметных свойств аморфных металлов является их исключительная прочность. Это свойство делает их невероятно прочными и устойчивыми к деформации, что делает их идеальными для приложений, требующих прочных ма- териалов, таких как структурные компоненты в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

Помимо прочности, аморфные металлы также обладают впечатляющей твердостью. Их неупорядоченное расположение атомов препятствует легкому движению дислокаций, которые представляют собой атомные дефекты, способствующие пластической деформации кристаллических материалов. В результате аморфные металлы демонстрируют высокие значения твердости, соперничающие с некоторыми из самых твердых кристаллических материалов или превосходящие их. Это свойство делает их подходящими для режущих инструментов, износостойких покрытий и других применений, где важна твердость.

Коррозионная стойкость – еще одна отличительная черта аморфных металлов. Аморфные металлы очень стабильны в агрессивных средах, что делает их привлекательными для применения в химической промышленности, морском оборудовании и биомедицинских устройствах. Их коррозионная стойкость не только продлевает срок службы компонентов, но также снижает затраты на техническое обслуживание и повышает общую производительность.

Более того, аморфные металлы обладают уникальными магнитными свойствами, которые отличают их от кристаллических материалов. Некоторые аморфные сплавы металлов обладают высокой намагничен- ностью насыщения, низкой коэрцитивной силой и отличными магнитомягкими свойствами. Эти свойства делают их ценными при производстве трансформаторов, магнитных датчиков и других магнитных устройств. Возможность изменять магнитные свойства аморфных металлов с помощью состава сплава открывает возможности для инновационных разработок и повышения производительности в различных областях применения.

Аморфные металлы также нашли свое место в развивающейся области аддитивного производства, также известной как 3D-печать. Возможность изготовления изделий сложной геометрии и контроля свойств материала на микроскопическом уровне является существенным преимуществом аморфных металлов в этом контексте.

Итак, как же получить аморфные металлы? Процесс включает преодоление естественной склонности металлов к образованию упорядоченных кристаллических структур. Как правило, металлы охлаждаются и затвердевают в кристаллическом состоянии, при этом атомы выстраиваются в регулярные структуры. Однако, тщательно контролируя скорость охлаждения, можно заморозить жидкий металл до неупорядоченного состояния, в результате чего получится аморфная структура [1].

Наиболее распространенным методом получения аморфных металлов является быстрое затвердевание или закалка. В этом процессе расплавленный металлический сплав охлаждается с чрезвычайно высокой скоростью. Это быстрое охлаждение не позволяет атомам организоваться в кристаллическую решетку, эффективно «замораживая» их в неупорядоченном расположении.

Хотя быстрое затвердевание является наиболее распространенным методом, исследователи постоянно изучают альтернативные подходы к получению аморфных металлов. Некоторые из этих методов включают механическое сплавление, электроосаждение и ионную имплантацию.

Также одним из способов получения аморфных металлов является добавление металлических частиц в полимерную матрицу вместе с элементами – кремний, бор, углерод, фосфор. Такие элементы называются аморфизирующими присадками, они позволяют стабилизировать аморфную структуру. С помощью квантовохимических расчетов можно показать существование такого аморфного композита. В качестве полимерной матрицы выбран пиролизованный полиакрилонитрил, а в качестве стабилизирующего элемента атомы бора [2-5].

Получение аморфной структуры моделировалось следующим образом: над поверхностью металлокомпозита (рассматривалось два металлокомпозита «ППАН+Ni» и «ППАН+Со») на расстоянии 3 Å располагались атомы бора. Полная оптимизация структуры позволила определить энергию связи, ширину запрещенной зоны, заряды на атомах, длины связей. Данные характеристики представлены в таблице.

Таблица. Основные характеристики композита с атомами бора

Композит	Энергия связи, эВ	Ширина запрещенной зоны, эВ	Заряды на атоме металла	Заряды на атомах бора	Длина связи, Å
					Ме-В	Ме-С	С-В	В-В
ППАН+Со	7,34	1,15	0,336	-0,005 0,251	2,016 2,026	1,815 1,823 2,026	1,512	1,568
ППАН+Ni	7,28	1,08	0,133	0,272 0,299	1,879 1,927	1,876 1,947 1,732	1,610 1,554	1,555

Поиск минимальной энергии расматриваемых наноструктур позволил установить пространственную ориентацию атомов бора относительно металлокомпозита. Рассмотрим структуру металлокомпозитов с аморфизирующими элементами более подробно. При взаимодействии атомов бора с металлокомпозитом «ППАН+Ni» наблюдается следующе: Атомы бора сближаются и образуют молекулу В2, данная молекула приближается параллельно слою и образует четыре связи с композитом, две свзяи с атомом никеля и две связи с атомами углерода. С композитом «ППАН+Со» наблюдается немного друга картина, атомы бора также образуют молекулу, но димер бора поворачивается относительно слоя и приближается к атому кобальта, образуя при этом три связи, две с атомом металла и одну с атомом углерода (рис. 1).

а)

Рис. 1. Металлокомпозит с атомами бора: а) «ППАН+Ni»; б) «ППАН+Со».

б)

Анализ электронно-энергетического строения нанокомпозита показывает, что уровни молекулярных орбиталей (МО)

группируются в зоны. На рисунке 2 построены одноэлектронные спектры и плотность состояния.

Рис. 2. Плотность состояния и одноэлектронные спектры композита с атомами бора: а)

«ППАН+Ni»; б) «ППАН+Со».

Итак, применение аморфных металлов охватывает широкий спектр отраслей промышленности. Их исключительные механические свойства, в том числе высокая прочность, пределы упругости и твер- дость, делают их подходящими для конструкционных компонентов, таких как аэрокосмические детали, спортивные товары и медицинские имплантаты. Аморфные металлы также обладают превосходной коррозионной стойкостью, что делает их идеальными для использования в химической и морской среде. Кроме того, их уникальные магнитные свойства нашли применение в трансформаторах, двигателях и магнитных датчиках. Проведено мо- делирование металлокомпозита, содержащего атомы никеля и кобальта и аморфи-зирующего элемента – бора. Показана стабильность полученной модели, что свидетельствует о возможности создания такого аморфного металлокомпозита.