РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ ПАРОВОГО ВЗРЫВА

Аннотация. Данная статья рассматривает понятие аморфного металла, применение аморфных металлических сплавов, методы получения аморфных металлов с фокусом на рассмотрении получения аморфных металлов методом парового взрыва.

Ключевые слова: аморфные металлы, применение аморфных металлов, паровой взвыв, электрический взрыв.

Ещё в довоенные годы было установлено, что у фольги или пленки из металла или сплава, которую получают методом вакуумного низкотемпературного напыления, отсутствует четкое кристаллическое строение. Но начало изучения аморфных металлов стартовало только в 60-е годы прошлого века в Калифорнийском технологическом институте группой. Возглавил исследования профессор Пол Дювез (Pol Duwez). В то время они смогли получить первые результаты - металлическое стекло Au₇₅Si₂₅. Но на несколько лет их дос тижения были оставлены, но с 1970 года снова появилась заинтересованность темой, сначала в Японии и США, а после — и в СССР и КНР, Европе.

В 1990-х годах получены сплавы, переходящие в аморфное состояние уже при скорости охлаждения примерно при 1°C/с. Это дало возможность изготавливать образцы, имеющие размеры порядка не более сантиметра.

Некоторые свойства аморфных металлов имеют разительные отличия от кристаллической структуры этого же состава. Например, некоторые из них отличает высокая вязкость и прочность, антикоррозионные свойства, высокая магнитная проницаемость.

Аморфные металлы или их сплавы (так называемые металлические стёкла) — один из классов металлических твердых тел, имеющих аморфную структуру. Это означает отсутствие дальнего порядка. И наличие ближнего порядка расположения атомов. Аморфные металлы отличает от металлов с кристаллической структурой, характерная фазовая однородность, расположение атомов сходно с расположением атомов переохлаждённых расплавов.

Электрическое сопротивление аморфных металлов находится в диапазоне, обычно, порядка 100—300 мкОм·см, это намного превосходит сопротивление металлов кристаллической структуры. Примечательно, сопротивление различных металлических стёкол слабо зависит от температуры, в некоторых случаях даже падает при росте температуры. Анализируя особенности электрического сопротивления металлических стекол, можно условно выделить три группы:

• простой металл — простой металл
• переходный металл — металлоид
• переходный металл — переходный металл.

Металлические стёкла группы простой металл — простой металл отличает низкое удельное сопротивление (менее 100 мкОм·см). С увеличением температуры сопротивление разных материалов данной группы может как возрастать, так и убывать.

Сопротивление материалов группы переходный металл — металлоид лежит в диапазоне 100—200 мкОм·см. Температурный коэффициент сопротивления поначалу более нуля, а когда сопротивление достигает ~150 мкОм·см, падает до отрицательных значений. Минимальное значение сопротивления достигается при температурах близких к абсолютному нулю.

Сопротивление материалов группы переходный металл — переходный металл превышает 200 мкОм·см. При этом с увеличением температуры сопротивление уменьшается.

Некоторые аморфные сплавы демонстрируют свойство сверхпроводимости, практически не изменяя коэффициента пластичности.

Однако не взирая на хорошие показатели твердости и прочности, металлические стёкла не применяют в качестве критически важных элементов и узлов из-за их высокой стоимости, и технологических трудностей при изготовлении. Перспективным направлением является применение стойкости от коррозионных процессов.

В оборонной промышленности при конструировании и создании защитных бронированных сооружений используются слои из аморфных сплавов на базе алюминия для нивелирования энергии пробивающего снаряда благодаря высокой вязкости разрушения таких прослоек.

Из-за особенностей магнитных свойств, аморфные металлы используются при магнитном экранировании, создании магнитных головок (аудио и видеотехника, магнитные накопители информации – НГМД, НЖМД – дискеты и жесткие диски), трансформаторов и некоторых других устройств, например, различных магнитных датчиках.

Низкая зависимость сопротивления некоторых аморфных металлов от температуры позволяет использовать их в качестве эталонных резисторов.

Обычно аморфные металлы используются в виде проволоки, либо фольги, также в некоторых производствах аморфные металлы требуются в виде порошков. Для получения аморфных металлов используются следующие основные способы. Для получения ленты, либо фольги используется метод, при котором струя металла в жидком состоянии подается на вращающиеся барабаны, прокатка между холодными валами с высокой удельной теплопроводностью. Для получения проволоки используется способ протяжки в стеклянном капилляре, либо протяжка расплава через охлаждающую жидкость, в качестве которой применяются солевые растворы. Также существует разновидность – метод Тейлора, при котором проволока из аморфного металла протягивается максимально быстро вместе со стеклянной трубкой. При этом диаметр волокна получается порядка 2-5 мкм. Наибольшая сложность в последующем отделении стеклянных фрагментов от проволоки

Ранее для получения порошков применялись методы распыления с некоторыми модификациями.

Сейчас для получения металлического аморфного порошка применяют в основном современные взрывные методы: паровой взрыв, электрический взрыв.

Рассмотрим, что представляют собой «взрывные» методы. Первый патент на электрический взрыв металла получен в 2000 году. Суть этого метода применяется для получения металлических наночастиц. Наиболее сложно произвести взрыв легких металлов, например, алюминия, наиболее удобно в этом случае использовать вольфрам. Суть метода состоит в том, что, взрыв металла происходит, минуя жидкое состояние за несколько микросекунд. Таким образом происходит нарушение энергетического расновесия. Известно, что плотность тока пропорциональна скорости потока электронов, а кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости. Именно вследствие этого, когда плотность тока увеличивалась в сотни раз, кинетическая энергия направленного (локализованного) потока электронов возрастала в тысячи раз. Данной энергии вполне хватало, для того чтобы прервать связь и тем самым  разрушить кристаллическую решетку. В каждом узле кристалической решетки находятся положительные ионы металла. А в следствии того, что одноименные заряды отталкиваются и стремятся разлететься, решетка должна быть неустойчивой. Несмотря на это, металлы обладают высокой прочностью: ионы объединены свободными электронами проводимости, которые заполняют решетку и движутся с большой скоростью случайным образом, подобно молекулам газа.

В момент протекания тока малой плотности по одножильному, его величина является константой на протяжении всего провода, вследствие чего провод нагревается равномерно. А тогда, когда плотность тока достигает высоких значений, поток электронов за счет квантовых процессов в кристаллической решетке превращается в волновой пучок. Значение силы тока изменяется по мере длинны кабеля и как результат металл сгруппировавшимися в волну электронами нагревается неравномерно.

Взрыв твердых металлов с помощью электрического тока показал себя как эффективный способ. Энергия связи между атомами, преобразовывается в энергию взрыва, например, для стали она составляет 8.1 * 10⁶ Дж/кг

Какими показателями определяется возможность взрыва металла? В первую очередь это скорость перемещения тела перед ударом, во вторых – атомная масса, из которой состоит непосредственно тело, в третьих – кинетическая энергия W ≈10^-8Av²/2(в электронвольтах) каждого его атома, соответствующая скорости движения, ну и на последок энергия ε связи частиц в металле и их отношение α=W/ε.

Для последующего использования металлических наночастиц обычно используют либо ваккуумные камеры, либо камеры, заполненные инертными газами (Ксенон, аргон, гелий или др.).

Здесь также, как и при электрическом взрыве необходимы высокоинтенсивные источники энергии. Этот метод является отработанным и хорошо зарекомендовал себя за все время использования.

Мы рассмотрели теорию, теперь перейдем к рассмотрению самого процесса. В качестве высокоинтенсивного источника энергии может выступать лазерное излучение, либо импульс напряжением 10-15 кВ и плотностью тока 10⁴-10⁶ А/мм², длительность должна составлять не более длительностью 10^-5-10^-6 с. Обычно разряд создается полярным электролитическим (возможны и др. типы, не принципиально) конденсатором. Негативной стороной метода являются: большой расход энергии и, как следствие, дороговизна получаемых нанопорошков, а также сложность устранения частиц микронного диапазона размеров, которые появляются из капель расплава.

Рисунок 1. Схема получения порошка из проволоки взрывным испарением:

1-зарядный контур, 2- разрядный контур, 3- взрывающаяся проволока, 4-камера с инертным газом

Несмотря на то что рассмотренная методика является затратной, она обладает весомым преимуществом, а именно возможность добиться весьма чистого материала.

Невзирая на тот факт, что аморфные материалы химически более активны, чем кристаллические, в случае добавления в них хрома и других элементов, способствующих формированию пассивирующей плёнки, они могут обладать исключительно высокой коррозионной стойкостью и использоваться в агрессивных средах; например, сплав Fe45Cr25Mo10P13C7 по стойкости превосходит даже тантал. Также аморфные сплавы возможно применять в качестве высокопрочных (например, в качестве компонента композиционных материалов и даже корда автомобильных шин). Некоторые аморфные сплавы проявляют инварные и элинварные свойства (то есть имеют близкий к нулю коэффициент термического расширения или слабо зависящие от температуры модули упругости) и могут применяться в прецизионных приборах. Наконец, аморфные сплавы используются для получения нанокристаллических материалов. В наши дни распространение аморфных металлов и их сплавов медленно развивается в следствии технологических ограничений (толщина получаемого сплава слишком мала, плюс не поддерживает свариваемость), второй основной причиной является малая стабильность свойств, т.е. структура и свойства образцов значительно меняются не только под действием изменений температуры, но и при стабильной комнатной температуре.

Список литературы:

1. Yoshizawa Y., Oguma S., Yamauchi K. New Fe-based magnetic alloys composed of ultrafine grain structure // J. Appl. Phys. 1988. М. 64, No 10.
2. Herzer G. Nanocrystalline soft magnetic alloys // Handbook of magnetic materials. V. 10. Edited by K. H. J. Bushow. Amsterdam: Elsevier Science. 1997
3. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К.. Аморфные металлы. — М.: Металлургия, 1987. — 328 с.
4. Юрий Стародубцев. Магнитные свойства аморфных и нанокристаллических сплавов. Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2002 – 185 с.
5. Юрий Стародубцев. Магнитомягкие материалы: Энциклопедический словарь-справочник, М. Техносфера, 2011 – 126 с.