В этой статье речь пойдет об аморфном состоянии металлов. Что это такое? Почему быть аморфным для человека — не очень лестно, а для металла — наоборот, высшая степень развития структуры? Почему и когда аморфный металл проявляет свои лучшие качества? Давайте попытаемся ответить на эти вопросы.
У большинства понятие «аморфный» ассоциируется с некой субстанцией, расплывчатой, податливой и невнятной. И это оправдано, ведь слово «аморфный» с греческого буквально означает «без формы». Со школьной скамьи мы знаем о трех агрегатных состояниях вещества: газообразное, жидкое и твердое. Есть еще особое состояние газа, которое называется плазма и считается 4-м агрегатным состоянием вещества. Но где же здесь место аморфному состоянию? А это особое состояние твердого вещества.
Переход твердого состояния в жидкое называется плавлением. Кристаллические вещества плавятся при определенной температуре. Например, ртуть плавится при температуре -39°С, алюминий при +660°С, а титан при +1670°С. Но существуют аморфные твердые тела, которые не имеют определенной температуры плавления и при нагревании постепенно размягчаются, становятся все более текучими, пока полностью не станут жидкими. Мы с детства знаем такие аморфные вещества: пластилин, воск, смола, леденцы, стекло, пластик.
Аморфные металлы ведут себя иначе. При нагреве они сначала кристаллизуются при определенной температуре, дальше нагреваются и плавятся, как обычные кристаллические тела.
Аморфного человека обычно связывают с непоследовательностью, отсутствием стержня, какой-либо определенности. Вот и в аморфных телах нет строго определенного порядка в расположении частиц (атомов, ионов, молекул). Существует только ближний порядок (окружение атома в пределах трех первых координационных сфер), как у жидкости. У кристаллических тел, наоборот, атомы стоят рядочками вдоль кристаллографических направлений, структура повторяется во всем объеме вещества (дальний порядок).
Таким образом, по своему строению аморфные твердые тела представляют собой что-то среднее между жидким и твердым состоянием. Это некая «замороженная жидкость» с очень высокой вязкостью. Многие не раз в своей жизни получали аморфный материал, например, переводили кристаллический сахар в аморфное состояние, когда делали леденцы.
Некоторые вещества могут пребывать и в кристаллическом, и в аморфном состоянии, а другие - нет. Почему? Все дело в скорости охлаждения. Если расплав застывает медленно, спокойно, то частицы собираются в ровные ряды и образуют кристаллы. Так получается сахарный песок или кусковой сахар. Если же охлаждение происходит быстро, то частицы не успевают построиться правильными рядами, и расплав затвердевает некристаллическим. И чем медленнее охлаждение, тем крупнее кристаллы.
В Мексике, например, есть пещера с гигантскими кристаллами селенита, которые формировались в течение тысяч лет в медленно остывающей воде.
Аморфное состояние является метастабильным и со временем переходит в кристаллическое, однако процесс кристаллизации при комнатной температуре может длиться много лет, столетий или даже тысячелетий. Метастабильное (условно стабильное) состояние — это неравновесное состояние, устойчивое относительно малых воздействий, но допускающее переход в более стабильное (устойчивое) состояние.
Согласно принципу минимума потенциальной энергии, любая система всегда стремится к минимуму энергии, так как это наиболее устойчивое и вероятное ее состояние. Удобнее лежать на диване и смотреть сериалы, чем лезть на гору или работать. Каждый атом какого-то вещества (система) тоже стремится в «потенциальную яму», но по пути может попасть в ямку поменьше, в которой эта система может спокойно лежать, пока какое-то энергетическое воздействие не подтолкнет ее перейти небольшой энергетический холмик и скатиться в более глубокую яму.
Если взять полимеры, то из обычных полимеров (пластмасс) только полиэтилен имеет заметную скорость кристаллизации при комнатной температуре — порядка нескольких лет. Переход в кристаллическую форму не является обязательным этапом для всех аморфных тел: старейший найденный янтарь, например, имеет возраст 320 млн. лет и остается аморфным. Возраст обсидиана исчисляется несколькими миллионами лет, но в течение этого времени тенденция к кристаллизации в нём не наблюдается.
Но наибольшие перспективы в практическом применении все-таки имеют аморфные металлы. Их часто называют материалами будущего, фантастическими материалами, что вызвано уникальностью методов их получения и особыми свойствами, не встречающимися у кристаллических аналогов. Аморфный металл — это улучшенная версия кристаллического металла, его «высшая форма». Но для этого металлу нужно достичь своего возвышенного состояния - «состояния дзэн». Как же это сделать? А также, как и человеку. Нужно очиститься от всего лишнего и закалиться: пройти «огонь, воду и медные трубы», только в прямом смысле этих слов!
В научной литературе используются несколько терминов: «аморфный», «стеклообразный», «металлическое стекло». Есть ли у них разница? Исторически, первыми искусственно созданными материалами с неупорядоченной структурой были оксидные стекла, полученные охлаждением расплава (закалкой). Поэтому термин «стеклообразный» обычно использовался для обозначения материалов, находящихся в твердом состоянии и полученных при быстрой закалке.
Из-за отсутствия дальнего порядка излом аморфного тела часто состоит из хаотично расположенных округлых сколов (как у стекла), тогда как излом кристалла проходит по плоскостям. Поверхность аморфного изделия, часто блестящая и гладкая, напоминает зеркало. Вот и появился термин "стеклообразный". Термин «аморфный», однако, шире по своему содержанию, поскольку указывает на неупорядоченность структуры материала. Стекла, например, всегда аморфны, но не все аморфные вещества являются стеклами.
Следует также понимать, что понятие "металл" это не просто железо, а сплавы различных химических элементов, как металлических (железо, кобальт, цирконий, титан и др.), так и неметаллических (кремний, бор, редкоземельные элементы и пр.). Поэтому правильнее использовать термин «аморфный сплав», а не металл.
Зааморфизовать возможно не каждый сплав. Все компоненты сплава должны быть очень чистыми. Например, обычное техническое железо содержит 99,9% чистого железа, а 0,1% – примеси. Но, каждая частичка примесей, являясь центром кристаллизации, провоцирует рост кристалликов сплава и тормозит процесс аморфизации. Поэтому компоненты сплава должны быть «очищены от всего лишнего» и иметь чистоту не ниже 99,999% (3-х девяток после запятой).
Чистые металлы аморфизуются трудно, поэтому необходимо добавить к ним легирующие элементы, которые способствуют понижению температуры плавления сплава. Обычно добавляют от 2-х до 8-ми компонентов, которые далее нужно расплавить и хорошо перемешать до однородности.
В Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) для расплава металлов применяют индукционную плавку. В качестве индуктора используется медная трубка, свернутая спиралью, подключенная к источнику тока.
Здесь после расплава тонкую нить металла быстро "замораживают", т.е. производят закалку. Для этого используют воду или другую охлаждающую жидкость и медные формы (диск, изложницы), т.к. медь отлично отводит тепло. Скорость закалки достигает более миллиона градусов в секунду. Атомы теряют свою подвижность, так и не успев сформировать кристаллическую структуру, остаются в потенциальной ямке и не скатываются в более устойчивое состояние.
В ИМЕТ РАН используют метод "Улитовского-Тейлора". Сначала стержень нужного сплава помещают в стеклянную трубку и расплавляют в индукторе, размягчая стекло. Далее совместной вытяжкой стекла и металла формируют тонкую нить, которая проходит сквозь струю воды в закалочном устройстве и сматывается на катушку. Получается очень тонкий микропровод, состоящий из аморфного сплава (жилы) и стеклянной оболочки вокруг жилы. Диаметр получаемых в ИМЕТ РАН аморфных микропроводов может составлять от 20 до 150 мкм, что сравнимо с толщиной человеческого волоса. С проводов диаметром более 50 мкм можно удалять стекло на специальной установке и получать только аморфный металлический микропровод.
По аналогичному принципу получают аморфную ленту и небольшие литые изделия (например, стержни). Из некоторых сплавов, критическая скорость закалки которых менее 1000 °С/сек, даже можно отливать изделия несложных форм. Распылением расплава в воду или на теплоотводящие подложки делают гранулы, чешуйки, порошки. Для получения аморфных пленок и покрытий используют напыление или электролитическое осаждение.
Интересно, что получить аморфный металл можно не только из расплава, но и из кристаллического металла. Однако для этого нужно приложить к нему сильные воздействия: привнести энергию (∆Е) и «вытолкать» систему из ямы потенциального минимума, чтобы кристаллическая решетка исказилась, потеряла дальний порядок. Применяют разные способы: размол в планетарных мельницах (получение аморфных порошков), прессование при гигантских давлениях, сильную пластическую деформацию, деформацию сдвигом или взрывом, бомбардировку тяжелыми ионами (получение аморфного слоя на поверхности), облучение лазером и многое другое. Таким образом, чтобы стать аморфным кристаллическому металлу необходимо вытерпеть различные сильные воздействия.
Однако результат стоит того! Многие свойства металлов при этом значительно улучшаются. Например, в аморфных сплавах появляется изотропия, т.е. физические свойства становятся одинаковы по всем направлениям. Если посмотреть на структуру обычного сплава через микроскоп, то мы увидим много разных составляющих (фаз) и множество границ между зернами. А у аморфного микроструктура совершенно однородна, нет выделенных направлений, нет дефектов, присущих кристаллам, она практически идеальна!
Данные особенности аморфной структуры различных металлов обуславливают уникальное сочетание у них механических, физических и магнитных характеристик, недостижимых для кристаллических аналогов. Все это открывает перспективные направления применения аморфных сплавов в различных отраслях народного хозяйства.
Например, сочетание высоких пределов упругости и прочности позволяет использовать объемные аморфные сплавы для изготовления спортивного инвентаря (ракетки для тенниса, клюшки для гольфа, бейсбольные биты), корпусов часов и телефонов, ножевых изделий, композитов, пружин, режущего инструмента.
Аморфные сплавы в виде волокон, порошков применяются в качестве армирующего наполнителя в разнообразных композитах для повышения их механических характеристик (прочность, твердость, износостойкость, трещинностойкость и др.).
Высокая коррозионная стойкость и поверхностная активность аморфных сплавов находят применение при изготовлении электромагнитных фильтров, электродных материалов, катализаторов. Радиационностойкие аморфные материалы перспективны для атомной энергетики, в частности для термоядерных реакторов.
Благодаря уникальным электрическим (высокое электросопротивление, слабо меняющееся от температуры) и ферромагнитным свойствам аморфные сплавы широко применяются в электротехнике. Их используют для изготовления головок магнитной аудио- и видеозаписи, различных типов специальных трансформаторов, импульсных источников, магнитных усилителей, миниатюрных деталей электронных и измерительных приборов для "гибкой электроники", нагревателей и пр. Существуют даже аморфные сверхпроводники и магниты.
В аморфных материалах их собственные магнитные моменты изменяются при внешних воздействиях. Это свойство в сочетании с высокой прочностью, упругостью и коррозионной стойкостью позволяет создавать разнообразные высокочувствительные датчики на основе аморфных сплавов: сенсоры полей, противокражные метки, датчики нагрузок, давления, растяжения, изгиба и пр.
Аморфные датчики нагрузок, разработанные в ИМЕТ РАН, представляют собой тонкие пленки или полосы, в которые заложены аморфные ферромагнитные микропровода.
Аморфные датчики нагрузок на основе аморфного микропровода можно использовать в системах охраны периметра, охраны музеев, домов, квартир https://amorphous-wires.ru/. Их принцип работы достаточно прост. При воздействии механической нагрузки на датчик в аморфном микропроводе изменяется электрическое сопротивление, которое легко снимается прибором и передается на операторский пульт, компьютер или смартфон.
Аморфные ленты и микропровод перспективны также для изготовления гибких экранов и тканей, защищающих от элекромагнитных излучений и полей.
Протяженные (многокилометровые) аморфные датчики могут составлять основу on-line систем мониторинга нагрузок рельсовых путей, трубопроводов, мостов, строительных конструкций.
Исследования аморфных микропроводов, проведенные в ИМЕТ РАН, показали их высокую стойкость к криогенным температурам. Поэтому аморфные датчики нагрузок могут найти широкое применение в качестве систем мониторинга льдов, ледовых переправ, взлетно-посадочных полос в условиях Арктики и Крайнего Севера.
Таким образом, аморфные металлы могут найти свое применение в авиационной, космической, автомобильной промышленности, энергетике, строительстве, транспорте и во многих других сферах. Вследствие хорошей биосовместимости у них имеются большие перспективы даже в медицине. Но это тема уже другой статьи.