Металлическое стекло

Аморфное металлическое стекло – материал 21 века

В Калифорнийском технологическом институте разработан новый метод изготовления чрезвычайно перспективных конструкционных материалов – объемных металлических стекол. Они представляют из себя сплавы нескольких металлов, не имеющие кристаллической структуры. В этом они похожи на обычное стекло – отсюда и название. Металлическое стекло возникает при очень быстром охлаждении расплавов, из-за которого те просто не успевают кристаллизоваться и сохраняют аморфную структуру. Сначала таким способом научились получать тонкие ленты металлических стекол, которые легче заставить быстро терять температуру. Объемные металлические стекла изготовлять куда труднее.

Металлические стекла обладают множеством достоинств. Кристаллические решетки обычных металлов и сплавов всегда содержат те или иные структурные дефекты, которые снижают их механические качества. В металлических стеклах таких дефектов нет и не может быть, поэтому они отличаются особой твердостью. Некоторые металлические стекла к тому же сопротивляются коррозии даже лучше нержавеющей стали. Поэтому специалисты полагают, что эти материалы ожидает блестящее будущее.

До сих пор объемные металлические стекла имели один крупный недостаток – низкую пластичность. Они хорошо выдерживают изгибы и сжатия, но ломаются при растяжении. Теперь Даглас Хоффман и его коллеги изобрели технологию изготовления объемных металлических стекол на основе сплавов титана, циркония, ниобия, меди и бериллия, которая приводит к рождению материалов, не уступающих по прочности лучшим титановым и стальным сплавам.

Разработчики полагают, что сначала они найдут применение в авиакосмической индустрии, а потом, когда удастся снизить их себестоимость, и в других отраслях.

Внутри металлического стекла

Ученым впервые удалось «рассмотреть» до уровня отдельных атомов структуру металлического стекла, определяющую механизм перехода этого аморфного материала из жидкого состояния в твердое.

В своих экспериментах группа исследователей из Австралии и США использовала разработанную ей новейшую методику исследований материалов. Анализируя дифракционные картины рассеяния электронов, полученные с помощью электронного микроскопа университета Монаша , ученые смогли обнаружить симметрии отдельных атомных кластеров в металлическом стекле на основе циркония.

Оказалось, что атомы в таком стекле сгруппированы в 13-атомные кластеры, имеющие форму икосаэдра – правильного двадцатигранника с двенадцатью вершинами. Икосаэдры, имеющие 12 осей симметрии пятого порядка, не могут быть плотно упакованы в упорядоченную кристаллическую решетку, поэтому расплав циркониевого металлического стекла при охлаждении постепенно увеличивает свою вязкость и твердеет, не кристаллизуясь.

Возможность формирования аморфной структуры таким способом уже предсказывалась теоретиками, но получила экспериментальное подтверждение впервые.

Аморфная структура придает металлическим стеклам уникальные качества. Эти стекла имеют более высокое отношение прочности к массе, чем алюминиевые и титановые сплавы, и являются очень перспективными конструкционными материалами.

Металлическое стекло - победа над хрупкостью

Благодаря своей аморфной структуре металлические стекла могут быть прочными, как сталь, и пластичными, как полимерные материалы, они способны проводить электрический ток и обладают высокой коррозионной стойкостью. Такие материалы могли бы получить широкое распространение при изготовлении медицинских имплантатов и разнообразных электронных устройств, если бы не одно неприятное свойство: хрупкость. Металлические стекла, как правило, являются ломкими и неравномерно сопротивляются усталостным нагрузкам, что ставит под вопрос их надежность. Использование многокомпонентных аморфных металлов решает эту проблему, однако для монолитных металлических стекол она до сих пор актуальна.

В рамках нового исследования. проведенного совместно учеными из Лаборатории Беркли и Калифорнийского технологического института, был найден способ повысить усталостную прочность объемных металлических стекол. Объемное металлическое стекло на основе палладия, подвергнутое усталостным нагрузкам, проявило себя ничуть не хуже, чем лучшие из композитных металлических стекол. Его усталостная прочность сравнима с этим показателем для широко используемых поликристаллических конструкционных металлов и сплавов, таких как сталь, алюминий и титан.

Под нагрузкой на поверхности палладиевого металлического стекла образуется полоса сдвига — локальная область значительной деформации, которая принимает ступенчатую форму. При этом по краям трещин, разделяющих «ступени», возникают такие же полосы сдвига, что притупляет вершины трещин и препятствует их дальнейшему распространению.

Палладий характеризуется высоким соотношением модулей объемного сжатия и сдвига. что скрадывает присущую стеклообразным материалам хрупкость, поскольку образование «многоуровневых» полос сдвига, препятствующих дальнейшему росту трещин, оказывается энергетически более выгодным, чем формирование крупных трещин, приводящих к быстрому разрушению образца. Вкупе с высоким пределом выносливости материала эти механизмы значительно повышают усталостную прочность объемного металлического стекла на основе палладия.

Китайцы сделали сверхгибкое металлическое стекло

В новом металлическом стекле напряжение ослабляется за счёт многочисленных трещин, позволяющих материалу гнуться. Изобретение стекла, которое может гнуться, уже само по себе кажется чем-то необычным. А вот гнущееся стекло, которое сделали специалисты из института физики Китайской академии наук под руководством профессора Вэй Хуа Вана , к тому же представляет собой металлический сплав.

Разработкой сверхтонких металлических стёкол исследователи занимаются уже давно. Значительный прорыв в этой области был сделан около 10 лет назад, когда учёные научились выращивать такие материалы в виде тонких пластин. Область применения этих разработок оказалась очень широкой. Впрочем, у гибких стёкол есть существенный недостаток – высокая хрупкость.

Ранее для улучшения механических характеристик учёные добавляли специальные наночастицы в состав таких стёкол. Трещина, образовывавшаяся в таких материалах, распространялась до точки «встречи» с наночастицей, на которой и останавливалась.

Подробные материалы оказывались довольно дорогостоящими, поэтому профессор Ван и его коллеги решили заняться поиском более простого решения.

В результате серии экспериментов они смогли сделать стекло из сплава, созданного из циркония, алюминия, меди и никеля. Особенность получившегося материала в том, что в его структуре распределены зоны, состоящие из твёрдых и плотных областей, окружённых мягкими и менее плотными.

Из-за этого при изгибе не возникает большой трещины, а появляется множество мелких трещинок. Благодаря им сила, приложенная к изделию из такого стекла, распределяется равномерно по сечению изделия. Как утверждают исследователи, это свойство делает данный материал более гибким по сравнению с другими существующими аналогами.

Металлические стекла также называют аморфными металлами или метглассами. Метод получения метглассов был разработан и впервые применен в 1960 году в Калифорнийском технологическом институте группой ученых, возглавлял которую профессор Пол Дювез. Им впервые удалось получить металлическое стекло. Сегодня аморфные металлы получают путем охлаждения расплавленного металла со скоростью до 106 К/c, вследствие чего структура вещества становится аморфной, т.е. без кристаллической решетки. Также разработаны методы изготовления аморфных металлов путем электрохимического осаждения и облучения металлов с кристаллической структурой мощными потоками нейтронов и ионов.

Свойства металлических стекол

Особенность метглассов заключается в том, что металлы в аморфном и кристаллическом состоянии имеют совершенно разные физико-химические свойства. При переходе металлов в аморфное состояние их прочность возрастает. однако упругость снижается. Так при снятии нагрузки метглассы способны восстанавливать свою изначальную форму, но если степень нагрузки превысит допустимое значение, металлическое стекло разрушится.

Одним из главных преимуществ металлических стекол можно назвать их исключительные антикоррозийные свойства. Многие из метглассов по этому показателю даже опережают лучшие марки нержавеющих сталей. Считается, что эта особенность обусловлена отсутствием кристаллической решетки и соответственно границ между зернами. Металлические стекла не подвержены воздействию многих агрессивных сред. таких к примеру, как кислоты и морская вода.

Применение металлических стекол

Область применения металлических стекол довольно ограничена. поскольку получают метглассы обычно в виде тонких лент. Изготовление объемных металлических стекол сопряжено с рядом трудностей, основная из которых заключается в том, что с увеличением толщины металлической пленки ее стабильность падает. На сегодняшний день металлические стекла применяются в производстве магнитных головок и экранов, сердечников трансформаторов, армирующих и электродных материалов. Широкое распространение аморфных металлов сдерживает их высокая себестоимость и малые размеры получаемых изделий. Также использование аморфных материалов при изготовлении крупногабаритных конструкций довольно проблематично, ввиду их низкой термической устойчивости.

Упоминая слово «стекло» первое, что приходит на ум, это, конечно же, оконное стекло. Но при определенных условиях, металлы тоже могут образовывать стекла. Металлические стекла достаточно сложно получить, но исследователь Todd Hufnagel из Университета Джонса Хопкинса пытается производить металлические стекла которые превосходят металл в традиционном понимании по прочности, эластичности и магнитным свойствам.

... и упругое металлическое стекло

Работая в этом направлении, ученый исследует множество микроскопических процессов, которые происходят в момент, когда расплавленный металл остывает в твердое вещество. Этот критический период и является моментом рождения металлических стекол.

С точки зрения науки, стеклом является любой материал, который может быть охлажден из жидкого состояния в твердое тело без процесса кристаллизации. Большинство металлов кристаллизуются при охлаждении и образуют пространственную структуру расположения атомов, которая имеет название – кристаллическая решетка. Но, если кристаллизация не происходит, и атомы располагаются в случайном порядке, в этом случает получается металлическое стекло.

Простое оконное стекло так же имеет случайное расположение атомов в своем строении. Металлическое стекло в отличии от обычного стела не является прозрачным, но его необычная атомная структура дает ему дополнительные механические и магнитные свойства.

Как указано выше, стеклом его называют именно из за случайного расположения в нем атомов. Конечно, никаких механических сходств со стеклом оно не имеет. Оно не прозрачное и не хрупкое.

Большинство традиционных металлов достаточно легко подвергаются деформации, и если постоянно сгибать и разгибать металл, то на нем, несомненно, проявится множество дефектов. Это объясняется тем, что происходит нарушение кристаллической решетки. Металлические стекла значительно проще вернуть к изначальной форме.

Исследования ученого финансируются Национальным фондом науки и бюро исследований армии США. Он пытается создать металлическое стекло, которое не кристаллизуется при более высоких температурах, что сделало бы его полезным при производстве деталей двигателя или бронебойных снарядов.

По мнению ученого, металлическое стекло при столкновении с препятствием не подвергнется грибообразной деформации и это поспособствует его скорости проникновения.

Открыт дешевый метод обработки металлического стекла

Американские ученые нашли дешевый способ обработки металлического стекла — чрезвычайно прочного материала с огромным потенциалом. Крепче и прочнее стали и титана – металлическое стекло является идеальным материалом в различных отраслях промышленности, от производства мобильных телефонов до авиационных деталей. Однако до недавнего времени проблема состояла в том, что обработка металлического стекла была довольно дорогостоящим процессом.

Ученые Калифорнийского технологического института разработали новый метод изменения формы металлического стекла. При этом используются те же недорогие процессы, которые применяются при выплавке пластиковых деталей. Исследователи научились нагревать металлическое стекло на миллион градусов за несколько секунд и придавать ему любую необходимую форму за несколько миллисекунд.

По словам профессора машиностроения и прикладной науки Уильяма Джонсона, им удалось совершить сдвиг парадигмы в металлургии и сделать прорыв в обработке металлов. Описание эксперимента приводится в статье в издании Science от 13 мая.

Металлическое стекло, впервые полученное в Caltech в 1960 году, начали сравнительно массово выплавлять в виде глыб в начале 90-х годов. В отличие от обычного стекла, оно непрозрачно. По сути это – металл с беспорядочной атомной структурой стекла. Обычное стекло относительно крепкое и устойчивое против постоянной деформации, однако легко разбивается и трескается. Металл, наоборот, не трескается и не бьется, однако имеют ограниченную прочность. Металлическое стекло объединяет в себе лучшие качества прочности как металла, так и стекла.

Для обработки металлического стекла его необходимо нагреть до 500-600 градусов Цельсия. Материал становится густой жидкостью, которой можно придать нужную форму. В этом виде атомы образовывают структуру, как в кристаллах. Чтобы материал сохранял прочность, необходимо избегать его кристаллизации, что раньше было довольно сложно из-за долгого времени нагревания и обработки.

Для этого металлическое стекло нагревали до 1000 градусов и заливали в стальные формы. Но проблема в том, что формы не выдерживали более 600 градусов и плавились, в результате чего их приходилось часто менять, чем и была вызвана дороговизна обработки. Потому ученые и применили омический нагрев, что позволило нагревать металлическое стекло за считанные секунды. Затем жидкость разливается в форму и очень быстро охлаждается – до того, как начнет кристаллизоваться.

Источники: www.razgovorium.ru, www.absolutelyfirst.com, www.popmech.ru, www.membrana.ru, metall-moscow.ru, www.metallopt.ru, iscience.ru

Тайна озера Алет – зазеркалье параллельного мира

Церковь прогресса

Космоплан X 37b

Невидимая рука

Гигантские шары Коста-Рики

Впервые эти шары были обнаружены в ХХ в. 40-х гг. в Коста-Рики, когда шла вырубка густых зарослей джунглей, чтобы на этом ...


Эхолокация у человека

Человек, потерявший зрение, оказывается в очень сложном положении, ведь порядка 90% информации об окружающем мире получаем именно через зрительный анализатор. ...


Зловещая тайна пещеры скелетов

В 1992 году Национальная Ассоциация Антрополо­гов США направила специальную экспедицию на поиски пропавшего ученого Дэвида Водла. Возглавили экспедицию Пери Уинстон и ...


Откуда произошли кошки

Кошка - это самое любимое домашнее животное человека. Это грациозное, ласковое, привлекательное и независимое животное. К семейству кошачьих также относятся: тигр, ...


3D принтеры для лунной базы

Лондонская международная архитектурная фирма Foster + Partners разработала довольно много впечатляющих структур за последние несколько лет, в том числе ...


Интернет-магазины как часть повседневной жизни

Практически каждый осведомленный человек ежедневно пользуется услугами сети Интернет. Всем известно, что всемирная паутина значительно расширяет возможности ее посетителей. Помимо ...


Марсово поле в Петербурге

В петровские времена на левобережье реки Невы располагалась довольно большая пустошь и называлась – Потешным полем. Потешным – потому, что ...