Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 2. Получение компактных двумерных и трехмерных наноматериалов аморфной структуры в состав сплавов вводят специальные легирую- щие элементы — аморфизаторы в количестве до 30 %. В качестве амор- физаторов обычно используют B, C, Cr, N и др. Другой подход связан с выбором сплавов, имеющих определенную базовую эвтектику, ко- торая образуется при взаимодействии ряда фаз–аморфизаторов. Дан- ные фазы легируют с целью понизить температуру плавления и пода- вить образование зародышей кристаллов при затвердевании сплава. Этот подход позволяет получать кроме микроизделий (ленты, фоль- ги, проволоки) также и объемные материалы толщиной до 10 мм. Аморфное состояние сплавов является метастабильным, поэтому после аморфизации часто проводят отжиг, в процессе которого ча- стично происходит переход к более стабильному состоянию. Одна- ко метастабильность остается, и при нагреве от 0.4 до 0.65 Т пл мате- риал переходит в кристаллическое состояние. В связи с этим наряду с аморфным большой интерес стал появляться и к нанокристалличе- скому состоянию аморфизирующихся сплавов. В ряде случаев для по- лучения аморфного состояния проводят предварительную обработку (например, высокоскоростную закалку) заготовок, а такие заготовки часто называют прекурсорами. Для ряда объемно-аморфизирующихся сплавов, например для сплавов на основе железа, возможно получение нанокристалличе- ской или аморфно-нанокристаллической структуры непосредственно при закалке расплава со скоростью охлаждения немного ниже кри- тической скорости образования аморфного состояния. Однако для большинства сплавов при таком подходе получается неоднородная нестабильная структура. Поэтому, как правило, для получения на- ноструктуры используется контролируемая кристаллизация сплавов из аморфного состояния при термообработке. В качестве перспек- тивы рассматривается получение нанокристаллической структуры путем инициации процессов кристаллизации в процессе деформи- рования аморфного материала. Аморфные металлические сплавы получают с помощью быстрого (со скоростью, большей или равной 10 6 K/ с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана. Этот метод называется спиннингованием. Для соз- дания наноструктуры проводится отжиг. Отжиг проводится так, что- бы возникало большое число центров кристаллизации, а скорость роста кристаллов была низкой. 115 2.5. Кристаллизация аморфных сплавов Как пример можно рассмотреть аморфный магнитожесткий сплав Fe 90 Zr 7 B 3 . Аморфный сплав с таким химическим составом был получен спиннингованием и затем подвергнут релаксационному отжигу при температуре 673 K в течение 2 ч. Для формирования нанокристалли- ческой структуры аморфный сплав был дополнительно отожжен при температуре 873 K в вакууме 10 –5 Па в течение 1 ч. Размер зерен кри- сталлической ОЦК фазы α-Fe (Zr), выделившихся в аморфной матри- це, был определен с помощью электронной микроскопии высокого разрешения и составляет около 10 нм. Исследователи большое вни- мание уделили изучению структуры аморфной матрицы, в которую вкраплены наночастицы α-Fe. В частности, в процессе исследования атомной структуры матрицы с помощью современных методов элек- тронно-позитронной аннигиляции обнаружено в ней повышенное со- держание атомов циркония, концентрирующихся в местах зарожде- ния зерен ОЦК фазы α-Fe (Zr). Кристаллизация аморфных сплавов особенно активно изучается в связи с возможностью создания нанокристаллических ферромагнит- ных сплавов систем Fe-Cu-M-Si-B (где M = Nb, Ta, W, Mo, Zr), имею- щих очень низкую коэрцитивную силу и высокую магнитную прони- цаемость, т. е. магнитомягких материалов. На основе изучения тонких пленок сплава Ni-Fe было показано, что мягкие магнитные свойства улучшаются при уменьшении эффективной магнитокристаллической анизотропии. Этого можно достичь, если увеличить число зерен, уча- ствующих в обменном взаимодействии в тонких магнитных пленках. Иначе говоря, уменьшение размера приводит к росту обменного вза- имодействия, уменьшению магнитокристаллической анизотропии и тем самым к улучшению мягких магнитных свойств. Позднее эта идея была реализована экспериментально путем направленной кри- сталлизации многокомпонентных аморфных сплавов. Мягкими магнитными материалами являются Si-содержащие ста- ли, поэтому первоначальные попытки улучшения мягких магнитных свойств путем кристаллизации аморфных сплавов были выполнены на сплавах системы Fe-Si-B с добавками меди, но получить в этой си- стеме сплавы с нанокристаллической структурой не удалось. Только введение в аморфный сплав Fe-Si-B помимо Cu добавок переходных металлов IV–VII групп позволило в результате кристаллизации полу- чить наноструктуру. Кристаллизация аморфных сплавов Fe-Cu-Nb- |