Грануллированые и аморфные сплавы

Содержание 

Введение …………………………………………………………………………..3

         Глава 1. Монокристалл определение………………………………………4

1. Получение монокристаллов …………………………………………………5

2. Структура монокристаллов…...…………………………………………….11

3. Пример получения монокристалла соли в домашних условиях……….…12

         Глава 2. Грануллированые и аморфные сплавы ………………………...15

2.1 Грануллированые и аморфные сплавы определение……………………...15

2.2 Особенности получения граннуллированых и аморфных сплавов ……...16

        Заключение………………………………………………………………….19

        Список  используемых источников и литературы………………………..21

Введение

В наше время без монокристаллов нельзя заниматься исследованием структуры и свойств металлов и сплавов, механизмов пластической деформации и разрушения, исследовать природу межатомной связи в металлах, сплавах и соединениях. Изучение топологии поверхности Ферми требует получения высокочистых и совершенных металлических монокристаллов. Работа с высокочистыми и монокристаллическими материалами позволяет обнаружить новые свойства, которые не проявляются на аналогичных поликристаллических объектах. Сегодня монокристаллы металлов, сплавов и соединений — не только уникальные объекты исследований в области физики твердого тела, но и реальные материалы новой техники, которые в ряде случаев уже нашли практическое применение.

Получение искусственным путем первых металлических монокристаллов относится к началу XX в. Это были монокристаллы легкоплавких металлов, которые сразу нашли применение в качестве объектов фундаментальных исследований. Однако металлические монокристаллы, в отличие от полупроводниковых, долгое время не находили технического применения. Оно началось лишь в 60-е годы, когда был осуществлен синтез достаточно крупных и высокочистых монокристаллов тугоплавких металлов. Роль металлических монокристаллов в науке и технике непрерывно возрастает. Одновременно возрастают требования к чистоте, совершенству структуры и геометрии выращиваемых монокристаллов. Глубокая очистка от примесей и получение монокристаллов — путь к созданию материалов с заданными свойствами наряду с легированием. Следует подчеркнуть, что вопросы получения металлических монокристаллов и их глубокой очистки неразрывно связаны: существует прямая зависимость между степенью совершенства монокристалла и уровнем содержащихся в нем примесей.

Основные способы очистки металлов от примесей — гидрометаллургические процессы, ионный обмен, диссоциация галлоидных соединений, жидкостная экстракция, электролиз, возгонка, осаждение из паровой фазы, ваккумная плавка. Эффективность каждого из перечисленных способов определяется физико-химическими свойствами основного металла и содержащихся в нем примесей.

Глава 1. Монокристалл определение

Монокристалл - это отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств. Внешняя форма монокристаллов обусловлена его атомно кристаллической структурой и условиями кристаллизации. Часто монокристалл приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях кристаллизации огранка проявляется слабо. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить монокристалл Кварца, каменной соли, исландского шпата, Алмаза, Топаза. От монокристаллов отличают Поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных мелких монокристаллов.

Первоначально в технике использовались природные монокристаллы, однако их запасы ограничены, а качество не всегда достаточно высоко. В то же время многие ценные свойства были найдены только у синтетических кристаллов. Поэтому появилась необходимость искусственного выращивания монокристаллов. Исходное вещество для выращивания монокристаллов может быть в твёрдом (в частности, в порошкообразном), жидком (расплавы и растворы) и газообразном состояниях.

1.1 Получение монокристаллов

В настоящее время насчитывается около 150 разновидностей методов получения монокристаллов из паровой, жидкой (расплавов и растворов) и твердой фаз. Несмотря на большое многообразие, существующие методы получения металлических монокристаллов из жидкой фазы можно разделить на четыре группы.

1. Образование монокристалла из расплава внутри тигля, постепенно перемещающегося с расплавом из горячей зоны печи через холодную диафрагму по методу Бриджмена-Стокбаргера.

1. тигель с расплавом; 2. кристалл; 3 .печь; 4 . холодильник; 5 .термопара; 6 .диафрагма.

Тигель с расплавом (1) перемещают вдоль печи( 3) в вертикальном направлении со скоростью 1—20 мм/ч. Температура в плоскости диафрагмы(6)поддерживается равной температуре кристаллизации вещества. Т. к. тигель имеет коническое дно, то при его медленном опускании расплав в конусе оказывается при температуре ниже температуры кристаллизации, и в нём происходит образование (зарождение) мельчайших кристалликов, из которых в дальнейшем благодаря геометрическому отбору выживает лишь один. Отбор связан главным образом с анизотропией скоростей роста граней монокристалла. Этот метод широко используется в промышленном производстве крупных монокристаллов.- флюорита, фтористого лития, сернистого кадмия и др. 

2. Кристаллизация путем выведения части расплава из тигля с помощью затравки по методу Чохральского, и Степанова — вытягивание профилированных монокристаллов из расплава через диафрагму.

1 . тигель с расплавом; 2 . кристалл; 3 . печь; 4 . холодильник;

 5 . механизм вытягивания.

Монокристалл медленно вытягивается из расплава .Скорость вытягивания 1—20 мм/ч. Метод позволяет получать монокристалл заданной кристаллографической ориентации. Метод Чохральского применяется при выращивании монокристалла иттриево-алюминиевого граната, ниобата лития и полупроводниковых монокристаллов.

 А. В. Степанов создал  на основе этого метода способ  для выращивания монокристалла с сечением заданной формы, который используется для производства полупроводниковых монокристаллов.

Формирование монокристалла наплавлением металла или какого-либо другого вещества на торцевую поверхность перемещающейся вниз затравки метод Вернейля.

1 . бункер; 2 . кристалл; 3 . печь; 4 . свеча; 5 . механизм опускания;

6 . механизм встряхивания.

Метод Вернейля без тигельный. Вещество в виде порошка (размер частиц 2—100 мкм) из бункера (1) через кислородно-водородное пламя подаётся на верхний оплавленный торец затравочного монокристалла (2), медленно опускающегося с помощью механизма(5). Метод Вернейля — основной промышленный метод производства тугоплавких монокристаллов Рубина, шпинелей, Рутила и др.

3. Зонная плавка, предложенная ДЖ. Пфанном(1927)  . К зонной плавке близок метод кристаллизации из металлических расплавов (зонная плавка с температурным градиентом).  В методе зонной плавки создаётся весьма ограниченная по ширине область расплава. Затем благодаря последовательному проплавлению всего слитка получают монокристаллы. Метод зонного проплавления получил широкое распространение в производстве полупроводниковых монокристаллов, а также тугоплавких металлический монокристаллов Молибден, Вольфрам и др.Методы выращивания из раствора включают 3 способа: низкотемпературный (растворители: вода, спирты, кислоты и др.), высокотемпературный (растворители: расплавленные соли и др.) и гидротермальный.

1 . раствор; 2 . кристалл; 3 . печь; 4 . термостат; 5 . мешалка;

6 . контактный термометр; 7 . терморегулятор.

Низкотемпературный кристаллизатор представляет собой сосуд с раствором (1), в котором создаётся пересыщение, необходимое для роста кристаллов (2) путём медленного снижения температуры. Этот метод используется для получения крупных монокристаллов сегнетовой соли, дигидрофосфата калия (KDP), нафталина и др.

Высокотемпературный кристаллизатор содержит тигель с растворителем и кристаллизуемым соединением, помещенный в печь. Кристаллизуемое соединение выпадает из растворителя при медленном снижении температуры (раствор-расплавная кристаллизация).

1 . раствор; 2 . кристалл; 3 . печь; 4 . тигель.

Метод применяется для получения монокристаллов железоиттриевых гранатов, слюды, а также различных полупроводниковых плёнок.

Гидротермальный синтез монокристаллов основан на зависимости растворимости вещества в водных растворах кислот и щелочей от давления и температуры.

1 . раствор; 2 . кристалл; 3 . печь; 4 .вещество для кристаллизации.

Необходимые для образования монокристалла концентрация вещества в растворе и пересыщение создаются за счёт высокого давления (до 300 Мн/м2 или 3000 кгс/см2) и перепадом температуры между верхней (T1 Монокристалл 250°C) и нижней (Т2 Монокристалл 500 °С) частями автоклава. Перенос вещества осуществляется конвективным перемешиванием. Гидротермальный синтез является основным процессом производства монокристалла кварца.

Выбор метода выращивания монокристаллов определяется требованием к качеству монокристалла (количество и характер присущих монокристаллам дефектов). Различают макроскопические дефекты (инородные включения, блоки, напряжения) и микроскопические (Дислокации, примеси, вакансии). Существуют специальные методы уменьшения числа дефектов в монокристаллов (отжиг, выращивание монокристалла на бездефектных затравочных кристаллах и др.).

1.2 Структура монокристаллов

Монокристаллы — твердые тела, частицы которых образуют единую кристаллическую решетку. Кристаллическая структура монокристаллов обнаруживается по их внешней форме. Хотя внешняя форма монокристаллов одного вида может быть различной, но углы между соответствующими гранями у них остаются постоянными. Это закон постоянства углов, сформулированный М.В.Ломоносовым. Он сделал важный вывод, что правильная форма кристаллов связана с закономерным размещением частиц, образующих кристалл. Монокристаллами являются большинство минералов. Однако крупные природные монокристаллы встречаются довольно редко (например, лед, поваренная соль, исландский шпат).

Характерной особенностью монокристаллов является их анизотропность, т.е. зависимость физических свойств: упругих, механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических — от направления. Анизотропия монокристаллов объясняется тем, что в кристаллической решетке различно число частиц, приходящихся на одинаковые по длине, но разные по направлению отрезки,

т. е. плотность расположения частиц кристаллической решетки по разным направлениям не одинакова, что и приводит к различию свойств кристалла вдоль этих направлений.

1.3 Пример получения монокристалла соли в домашних условиях.

Оборудование:

Два стакана, ёмкость (например, кастрюля) с тёплой водой, поваренная соль, фильтр из промокашки или вата, воронка для фильтрации.

Выращивание кристаллов поваренной соли — процесс, не требующий наличия каких-то особых химических препаратов. У нас всех есть пищевая соль (или поваренная соль), которую мы принимаем в пищу. Её также можно назвать и каменной — всё одно и то же. Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики.

Ход работы:

1. Приготовление насыщенного  раствора поваренной соли.

Налить воды в  стакан и поставить его в кастрюлю с тёплой водой (не более 50°С — 60°С). Насыпать пищевую соль в стакан и оставьте минут на 5, предварительно помешав. За это время стакан с водой нагреется, а соль растворится. Желательно, чтобы температура воды пока не снижалась. Затем добавьте ещё соль и снова перемешайте. Повторять этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Так мы получили насыщенный раствор соли.

2. Фильтрация раствора.

Перелить его в чистую ёмкость такого же объёма через фильтр, сделанный из обычной промокашки или через вату , избавившись при этом от излишек соли на дне.

3. Выбор кристалликов  для затравки.

Выбрать любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли и положить его на дно стакана с насыщенным раствором. Можно кристаллик привязать за нитку и подвесить, чтобы он не касался стенок стакана.

4. Наблюдение за ростом  и формой кристалла.

Теперь нужно подождать. Уже через пару дней можно заметить значительный для кристаллика рост. С каждым днём он будет увеличиваться. А если проделать всё то же ещё раз (приготовить насыщенный раствор соли и опустить в него этот кристаллик), то он будет расти гораздо быстрее.

Итог наблюдений: монокристаллы поваренной соли растут очень медленно, но имеют правильную кубическую форму и представляют собой   бесцветные прозрачные кубики.

Нужно помнить, что раствор должен быть насыщенным, то есть при приготовлении раствора на дне стакана всегда должна оставаться соль (на всякий случай). Для сведений: в 100г воды при температуре 20°С может раствориться приблизительно 35г поваренной соли. С повышением температуры растворимость соли растёт.  

Результат:

Мы получили много монокристаллов поваренной соли прозрачных и бесцветных, имеющие почти правильную форму куба, но небольших размеров от 2 до 8мм.

Глава 2. Грануллированые и аморфные сплавы

2.1 Грануллированые и аморфные сплавы определение

Гранулируемые сплавы - это конструкционные металлические материалы, полученные путём изостатического прессования при высоких давлениях (компактирования) мельчайших частиц (гранул) сплавов определенного химического состава, закристаллизовавшихся с высокой скоростью. Металлургия гранул — одно из перспективных направлений порошковой металлургии. В авиационной промышленности широкое применение находят гранулируемые сплавы на основе никеля, титана, алюминия.

Аморфные металлические сплавы - это сплавы металлов и < 30 % не металлов — аморфизаторов (например, В, Р, N и др.) с аморфной структурой, характеризующееся отсутствием так называемого дальнего порядка в расположении атомов

2.2 Особенности получения  граннуллированых и аморфных сплавов

2.2.1 Гранулируемые сплавы получают путем приготовление расплава, по химическому составу соответствующего заданному сплаву; получение гранул (используются методы центробежного распыления заготовок, оплавляемых плазменной дугой, распыления расплава сжатыми инертными газами, центробежного распыления расплава и др.); рассев и сепарация гранул; дегазация гранул и засыпка их в герметичные металлические или керамические формы; компактирование гранул в заготовки с плотностью, близкой к теоретической, методами горячего изостатического прессования (в специальных аппаратах — газостатах или высокотемпературных гидростатах) или в контейнерах обычных гидравлических прессов. Первичное компактирование может дополняться прессованием, ковкой или штамповкой, Компактные заготовки подвергают затем термической и механической обработке и контролю качества.

Важная характерная особенность металлургии гранул — высокая скорость затвердевания капель металлического расплава: если затвердевание промышленных слитков проходит при скорости охлаждения менее 1°С/с, то при затвердевании гранул размером до 200—300 мкм скорость охлаждения в интервале кристаллизации превышает 10000°С/с.

2.2.3 Аморфное состояние сплавов достигается сверхбыстрым (105 — 108 К/с) охлаждением из газообразного, ионизированного или жидкого состояния. Аморфное состояние сплавов является метастабильным. При их нагревании идут сначала процессы структурной релаксации (включая снятие внутренних напряжений), а затем при температуре (0,4—0,65) Tпл и закалка расплава подачей его струи на вращающийся охлаждающий диск (барабан). Методы получения аморфных металлов Сверхвысокие скорости охлаждения жидкого металла для получения аморфной структуры можно реализовать различными способами. Общим в них является необходимость обеспечения скорости охлаждения не ниже 106 град/с. Известны методы катапультирования капли на холодную пластину, распыление струи газом или жидкостью, центрифугирование капли или струи, расплавление тонкой пленки поверхности металла лазером с быстрым отводом тепла массой основного металла, сверхбыстрое охлаждение из газовой среды и др. Использование этих методов позволяет получать ленту различной ширины и толщины, проволоку и порошки.

Наиболее эффективными способами промышленного производства аморфной ленты являются охлаждение струи жидкого металла на внешней (закалка на диске) или внутренней (центробежная закалка) поверхностях вращающихся барабанов или прокатку расплава между холодными валками, изготовленными из материалов с высокой теплопроводностью. Структура аморфных сплавов подобна структуре замороженной жидкости. Затвердевание происходит настолько быстро, что атомы вещества оказываются замороженными в тех положениях, которые они занимали, будучи в жидком состоянии. Затвердевание с образованием аморфной структуры принципиально возможно для всех металлов и сплавов. Для практического применения обычно используют сплавы переходных металлов (Fe, Co, Mn, Cr, Ni и др.), в которые для образования аморфной структуры добавляют аморфообразующие элементы типа В, C, Si, P, S. Такие аморфные сплавы обычно содержат около 80 % ат. одного или нескольких переходных металлов и 20 % металлоидов, добавляемых для образования и стабилизации аморфной структуры. Амортизаторы понижают температуру плавления и обеспечивают достаточно быстрое охлаждение расплава ниже его температуры стеклования так, чтобы в результате образовалась аморфная фаза. На термическую стабильность аморфных сплавов оказывает наибольшее влияние кремний и бор, наибольшей прочностью обладают сплавы с бором и углеродом, а коррозионная стойкость зависит от концентрации хрома и фосфора.

Методы получения тонкой ленты путем закалки из расплава: а) центробежная закалка; б) закалка на диске; в) прокатка расплава; г) центробежная закалка; д) планетарная закалка

На рисунке приведены принципиальные схемы этих методов.

Расплав, полученный в индукционной печи, выдавливается нейтральным газом из сопла и затвердевает при соприкосновении с поверхностью вращающегося охлаждаемого тела (холодильника). Различие состоит в том, что в методах центробежной закалки и закалки на диске расплав охлаждается только с одной стороны. Основной проблемой является получение достаточной степени чистоты внешней поверхности, которая не соприкасается с холодильником. Метод прокатки расплава позволяет получить хорошее качество обеих поверхностей ленты, что особенно важно для аморфных лент, используемых для головок магнитной записи. Для каждого метода имеются свои ограничения по размерам лент, поскольку есть различия и в протекании процесса затвердевания, и в аппаратурном оформлении методов. Если при центробежной закалке ширина ленты составляет до 5 мм, то прокаткой получают ленты шириной 10 мм и более. Метод закалки на диске, для которого требуется более простая аппаратура, позволяет в широких пределах изменять ширину ленты в зависимости от размеров плавильных тиглей. Данный метод позволяет изготавливать как узкие ленты шириной 0,1–,2 мм, так и широкие —до 100 мм, причем точность поддержания ширины может быть ± 3 мкм. Разрабатываются установки с максимальной вместимостью тигля до 50 кг. Во всех установках для закалки из жидкого состояния металл быстро затвердевает, растекаясь тонким слоем по поверхности вращающегося холодильника. При постоянстве состава сплава скорость охлаждения зависит от толщины расплава и характеристик холодильника. Толщина расплава на холодильнике определяется скоростью его вращения и скоростью истечения расплава, т. е. зависит от диаметра сопла и давления газа на расплав. Большое значение имеет правильный выбор угла подачи расплава на диск, позволяющий увеличить длительность контакта металла с холодильником. Скорость охлаждения зависит также от свойств самого расплава: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности. Для получения тонкой аморфной проволоки используют разные методы вытягивания волокон из расплава.

Заключение

Монокристаллы ценны как материал, обладающий особыми физическими свойствами. Например, алмаз и боразон предельно тверды, Флюорит прозрачен для широкого диапазона длин волн, Кварц — пьезоэлектрик. монокристаллы способны менять свои свойства под влиянием внешних воздействий (света, механических напряжений, электрических и магнитного полей, радиации, температуры, давления). Поэтому изделия и элементы, изготовленные из монокристаллов, применяются в качестве различных преобразователей в радиоэлектронике, квантовой электронике, акустике, вычислительной технике и др.

Список используемых источников и литературы

Лит.: Бакли Г., Рост кристаллов, пер. с англ., М., 1954; Лодиз Р. А., Паркер Р. Л., Рост монокристаллов, пер. с англ., М., 1973; Маллин Дж., Кристаллизация, пер. с англ., М., 1966; Шубников А. В., Образование кристаллов, М. — Л., 1947; его же, Как растут кристаллы, М. — Л., 1935; Пфанн [В. Дж.], Принципы зонной плавки, в кн.: Германий, сб. переводов, М., 1955 (Редкие металлы), Учебник Физика 10 класс Классический курс Авторы: Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Соцкий; Москва, Просвещение, 2009.Учебник Физика 10 класс  Автор: В.А. Касьянов; Дрофа, Москва, 2003Энциклопедический словарь по металлургии. — М.: Интермет Инжиниринг. Главный редактор Н.П. Лякишев. 2000. Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия. Главный редактор Г.П. Свищев. 1994. Солнцев Ю.П., Пряхин Е. И. Материаловедение: Учебник для вузов. Изд. 3-е перераб. и доп.- Спб.: ХИМИЗДАТ, 2004  Золотухин И.В. «Физические свойства аморфных металлических материалов». М: Металлургия, 1986

.Интернет — ресурсы:

  - school-collection.edu.ru

- class-fizika.narod.ru

- www.fizika.ru

- http://fiz.1september.ru