Аморфные металлические сплавы
Калитин Евгений
19.09.201117:0719.09.11 17:07
Apple заключила эксклюзивное соглашение на использование аморфных металлических сплавов с уникальной атомной структурой, что позволяет продукции быть более прочной, легкой, а также более устойчивой к износу и коррозии.
***
Аморфные металлические сплавы были разработаны группой исследователей из Калифорнийского технологического института в 1960г. (Дювез, Вилленс и Клемент). Был получен метод закалки расплава в аморфное состояние в металлических сплавах. Однако широкое признание аморфных металлических материалов в науке и технике началось в начале 70-х годов, когда были разработаны высокоэффективные методы их получения в виде тонкой ленты или проволоки. Стало ясно, что понятие “металлическое тело” уже нельзя рассматривать как синоним понятия “кристаллическое тело”, что с получением металлического вещества в новом аморфном состоянии необходимо рассматривать два существенно отличающийся по своей природе и свойствам класса металлических тел — кристаллические и аморфные.
Впервые для коммерческих целей продукт был использован в 2003г для создания техники Министерства обороны США, медицинского оборудования, и даже для создания спортивных товаров, таких как теннисные ракетки и клюшки для гольфа.
Apple получила права на использование сплавов в коммерческих целях, но во всех остальных сферах, которыми Apple не занимается, Liquidmetal оставила права на технологию за собой.
Соглашение было заключено 5 августа. Оно было подписано Ларри Буффингтоном, который является президентом и главным исполнительным директором Liquidmetal Technologies.
Атомная структура Liquidmetal (жидких металлов):
Кристаллическая Аморфная структура
решетка
В обычных металлах структурой является кристаллическая решетка. Liquidmetal сплавы имеют «аморфную» атомную структуру,, то есть не обнаруживают различных свойств в разных направлениях и не имеют определённой точки плавления. Свойства Liquidmetal превосходят свойства обычных металлов.
Свойства Liquidmetal :
· высокая твердость
· высокое отношение твердости к массе
· превосходящий предел упругости
· высокая коррозионная стойкость
· высокая износостойкость
· уникальные акустические свойства
Один из результатов уникальной атомной структуры сплавов Liquidmetal являеться высокая текучесть, которая приближается к теоретическому пределу и намного выше чем в кристаллических металлах и сплавах. Например, предел текучести более 250 KSI был достигнут в Zr-базе Liquidmetal сплавах (VIT-001 серии). Это более чем в два раза больше, чем в обычных титановых сплавах.
Еще одно уникальное свойство сплавов Liquidmetal является высшим пределом упругости, т. е. способность сохранять свою первоначальную форму после прохождения очень высоких нагрузок и напряжений. Кроме того, Liquidmetal более устойчивы к коррозии, чем их обычные коллеги с кристаллической решеткой из-за уникального строения атома.
Возможные применения аморфных металлических материалов:
Аморфные металлы можно использовать как материалы имеющие высокую характеристику прочности и пластичности. Уже с 1974г. высказывались предположения о возможности применения аморфных сплавов в различных конструкциях в сочетании с пластмассами и резинами, а так же для изготовления пружин и малогабаритного режущего инструмента. Основными препятствиями здесь являлись высокая стоимость, слабая устойчивость против нагрева и не возможность получения материала в ином виде, чем лента. Однако недавно с появлением методов вытягивания волокон из вращающегося барабана появилась возможность получить проволоку круглого сечения (диаметром 200мкм) из аморфных сплавов на основе железа. Эта явилась стимулом для изучения возможностей аморфных металлов как высокопрочных материалов. По своей прочности проволока из аморфного сплава превосходит даже стальную рояльную проволоку. Поэтому данный аморфный сплав весьма перспективен для использования в качестве высокопрочных материалов.
Стремление к миниатюризации электронных устройств привело к тому, что линейные размеры токоведущих дорожек, контактных площадок и других элементов современных интегральных схем не превышают 0,5-1 мкм. При субмикронных размерах рабочих элементов создаются условия для взаимного проникновения атомов — диффузии на границе раздела металл-полупроводник. Этот процесс со временем приводит к замыканию токоведущих дорожек и выходу прибора из строя. Чтобы предотвратить диффузию, необходимо создать тонкий барьерный слой между полупроводником и металлом.
Так было показано, что наилучшими барьерными свойствами обладают аморфные металлические сплавы. Диффузия через аморфные слои сильно затруднена вследствие нерегулярности атомной структуры. Особенно хорошими барьерными свойствами обладают аморфные сплавы тугоплавких металлов.
Заключение:
Несмотря на то, что аморфные металлы обладают уникальными методами их получения и особыми свойствами, которые не встречаются у кристаллических металлов. У аморфных металлов есть свои недостатки:
не высокая термическая устойчивость. не достаточная стабильность во времени(что снижает их надежность). полная несвариваемость(следовательно, аморфные металлы не пригодны для крупногабаритных конструкций, невозможность их использования в качестве высокотемпературных материалов).
P.S: В будущем станет известно, где Apple собирается использовать аморфные металлические сплавы))).
12Сверхпроводящие материалы уже используются в электромагнитах. Ведутся исследования, направленные на создание сверхпроводящих линий электропередачи.
Сверхпроводящие материалы подразделяют на две группы: сверхпроводники первого и второго рода.
Сверхпроводящие материалы ведут себя различным образом. При критической температуре сопротивление сверхпроводника исчезает полностью. У большей части сверхпроводников критическая температура ниже 10 К-Электрическое сопротивление сверхпроводника точно равно нулю.
Свойства некоторых аморфных и кристаллических сверхпроводников. Сверхпроводящие материалы, часто применяемые в агрегатах ядерного синтеза, подвергаются довольно сильному облучению, следовательно, для них важна стойкость к нему. Сверхпроводящие аморфные сплавы более устойчивы к облучению, чем кристаллические: их электрическое сопротивление после облучения практически не меняется. Кроме того, сверхпроводимость и пластичность аморфных сплавов могут повышаться после него.
Загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу в процессе производства энергии. Сверхпроводящие материалы могут обеспечить возможность значительного сохранения энергии, но в них вероятно содержание токсичных материалов. Выявление и разрешение этих ситуаций балансировки воздействий - сложная, но необходимая задача на пути развития продуктов и процессов в направлении устойчивости.
Зависимость критической температуры Тс аморфных сплавов. Сверхпроводящие материалы часто применяются в агрегатах ядерного синтеза. В ходе эксплуатации они подвергаются довольно сильному облучению. Следовательно, важной характеристикой таких материалов является их устойчивость по отношению к облучению.
Изучение сверхпроводящих материалов представляет интерес в двух аспектах: в теоретическом ( для более глубокого понимания явления сверхпроводимости) и в прикладном.
Преимущества сверхпроводящих материалов на основе интерметаллических соединений, таких, как Nb3Sn, VsGa и др., были оценены и физиками, и технологами с самого начала работ по прикладной сверхпроводимости.
Отжиг сверхпроводящих материалов после механической обработки, приводящий к уменьшению концентрации центров пниинига, снижает критическую плотность тока. Кривые намагничивания жестких сверхпроводников в смешанном состояния имеют иетлю гистерезиса.
Получение сверхпроводящих материалов, в том числе висмутсодержащих, определяется во многом прогрессом в области технологии, которая и определяет области и возможности их применения. Уже полученные оксидные сверхпроводники пока не позволяют получать промышленные изделия, пригодные к повседневной эксплуатации. Их важный недостаток - слабая устойчивость к деформации, когда даже при незначительных сдвиговых смещениях критический ток и критическая температура стремятся к нулю.
Отжиг сверхпроводящих материалов после механической обработки, приводящий к уменьшению концентрации центров пиннинга, снижает критическую плотность тока. Кривые намагничивания жестких сверхпроводников в смешанном состоянии имеют петлю гистерезиса.
Для мягких сверхпроводящих материалов, например свинца или ртути, размером более 1 мкм намагниченность определяется соотношением М - Я, и она увеличивает свободную энергию сверхпроводника. Возникающие при этом экранирующие токи рассматриваются в разд.
Всем сверхпроводящим материалам присущ эффект вытеснения постоянного магнитного поля из объема сверхпроводника - эффект Мейсснера.
Внутренне стабилизированные сверхпроводящие материалы состоят из тонких нитей сверхпроводника, окруженных нормальным металлом с высокой электро - и теплопроводностью, например медью или алюминием. При хорошем электрическом контакте сверхпроводника с нормальным покрытием ( в случае перехода отдельных участков сверхпроводника в нормальное состояние) ток закорачивается через низкоомное покрытие. Стало быть, местные перегревы ограничиваются, а отвод тепла гелием с большой поверхности упрощается.
Для большинства сверхпроводящих материалов зависимость критической плотности тока ус от индукции магнитного поля В, превышающей 4 - 5 Тл, с достаточной точностью аппроксимируется выражением Bje const.
Диск из сверхпроводящего материала плавает над поверхностью постоянного магнита. Магнитное поле вызывет электрические токи в тонком слое на поверхности сверхпроводника. Эти токи в свою очередь создают магнитное поле, противоположное полю магнита и компенсирующее поле магнита внутри диска. Таким образом магнитное поле полностью выталкивается из сверхпроводника.
Процесс изготовления сверхпроводящих материалов должен отличаться технологичностью. Это необходимо потому, что технический сверхпроводник с большим количеством нитей, как правило, является сложной ( композитной) системой, состоящей из материалов с различными механическими, электрическими, теплофизическими свойствами. Он содержит от десятков до многих тысяч скрученных сверхпроводящих нитей ( жил) диаметром до нескольких микрон и толщиной прослоек нормального металла между нитями около одного микрона.
В группе сверхпроводящих материалов научный и практический ин-грес представляют низкотемпературные и высокотемпературные сверх-роводники, последние сохраняют сверхпроводящее состояние до тем-ератур жидкого азота, что существенно расширяет диапазон их приме-ения. Решение технологических задач, снижающих себестоимость зделий из высокотемпературных сверхпроводников, позволит в ближай - JCM будущем производить из них сверхпроводящие кабели, электричес-ие машины, сверхпроводящие квантовые интерферометрические устрой-тва и другие изделия.
Во многих Жестких сверхпроводящих материалах со структурой типа р-вольфрама наблюдаются очень высокие значения критического доля, обусловленные наличием сверхпроводящих нитей. Так, для V3Ga критическое поле достигает, по-видимому, 450 кэ Жесткие сверхпроводники с такими параметрами станут основой для создания сильных магнитных полей ( более 100 кэ) с помощью сверхпроводящих соленоидов. Большое преимущество таких соленоидов состоит в том, что они создают весьма стабильные поля и не требуют больших энергетических затрат. Такие материалы доставляют много забот металлургам, так как их производство требует изменения нынешней технологии и продвижения ее в новую и сложную область. Соединения типа - вольфрама часто получают с помощью леритектических реакций, и потому бывает трудно получить однородный материал. Такие соединения хрупки даже при обычной температуре горячей обработки, так что получение проволоки для соленоидов довольно затруднительно. В настоящее время ее получают с помощью порошковой металлургии, причем окончательное спекание и реакция компонентов происходят в уже сформированном соленоиде. Совсем недавно для получения таких соединений был успешно использован метод осаждения из газовой фазы. В настоящее время в этой области металлургии проводится большая работа.
Во многих жестких сверхпроводящих материалах со структурой типа ( 3-вольфрама наблюдаются очень высокие значения критического поля, обусловленные наличием сверхпроводящих нитей. Так, для VsGa критическое поле достигает, по-видимому, 450 кэ. Жесткие сверхпроводники с такими параметрами станут основой для создания сильных магнитных полей ( более 100 кэ) с помощью сверхпроводящих соленоидов. Большое преимущество таких соленоидов состоит в том, что они создают весьма стабильные поля и не требуют больших энергетических затрат. Такие материалы доставляют много забот металлургам, так как их производство требует изменения нынешней технологии и продвижения ее в новую и сложную область. Соединения типа - вольфрама часто получают с помощью перитектических реакций, и потому бывает трудно-получить однородный материал. Такие соединения хрупки даже при обычной температуре горячей обработки, так что получение проволоки для соленоидов довольно затруднительно. В настоящее время ее получают с помощью порошковой металлургии, причем окончательное спекание и реакция компонентов происходят в уже сформированном соленоиде. Совсем недавно для получения таких соединений был успешно использован метод осаждения из газовой фазы. В настоящее время в этой области металлургии проводится большая работа.
В рамках раздела Магнитные и сверхпроводящие материалы были троведены поисковые работы по созданию и использованию принци-шально новых подходов к решению технологических проблем.
Наличие обратимой пластичности сверхпроводящих материалов открывает дополнительные возможности управления их сверхпроводящими параметрами с помощью внешних полей, поскольку под воздействием таких полей могут изменяться объем включений другой фазы и общая площадь границ раздела.
Из всего многообразия сверхпроводящих материалов можно выделить несколько групп, применение которых в технике наиболее перспективно.
В деле создания новых сверхпроводящих материалов и новых сверхпроводящих магнитов на их основе важное значение имеют точные измерения физических свойств сверхпроводников. Необходимо также знать характеристики сверхпроводящих магнитов, чтобы проверить, удалось ли реализовать проектные параметры, и определить пути дальнейшего совершенствования технологии изготовления магнитов. В данной главе рассматриваются в основном методы измерения сверхпроводящих и электрофизических параметров сверхпроводников. При создании магнитных систем необходимы сведения и о таких характеристиках, как предел прочности на растяжение или температурный коэффициент линейного расширения.
Авторов интересовали в основном сверхпроводящие материалы, и им удалось получить пленки ниобия и тантала, критическая температура для которых хорошо согласовалась со значениями, установленными для массивных образцов соответствующих металлов.
СВЕРХПРОВОДНИКИ ВТОРОГО РОДА - сверхпроводящие материалы, составляющие один из двух классов, на к-рые подразделяются все сверхпроводники в зависимости от поведения в магн.
СВЕРХПРОВОДНИКИ ПЕРВОГО РОДА - сверхпроводящие материалы, составляющие один из двух классов, на к-рые подразделяются все сверхпроводники в щ висимоети от их поведения в магн.
Температурная зависимость сопротивления образца керамики системы Y-Ba-Cu-O.| Зависимости сопротивления образца керамики системы Y-Ba-Cu-O от температуры и магнитной индукции. Но и без применения новых сверхпроводящих материалов современный уровень развития техники делает вполне реальным разработку и создание импульсного соленоида с Вт 100 Тл при г00 0 01 - 5 - 0 1 с.
Схемы. о - потеря сопротивления при Гк. б - изменения Нес температурой. в - изменение энергетической щели с температурой. г - затухание продольных звуковых волн в сверхпроводящем состоянии. Ярким показателем этого является число сверхпроводящих материалов, включенных в данный обзор, а именно, более 900 наименований по сравнению с 500, известных примерно два года назад. На рис. 1 показан прирост сведений о сверхпроводящих материалах за последние 50 лет.
Пунктирная линия показывает вероятное распределение сверхпроводящих материалов. Вероятность того, что существуют сверхпроводники с температурой перехода выше 18 - 19 К, оказывается незначительной, несмотря на отсутствие в настоящее время теоретического ограничения о возможности более высоких Тк, чем 18 - 19 К.
Основные технические характеристики ГИЛ с пофазно экранированными ТВЭ. СПК) с жилами из сверхпроводящих материалов ( ниобий, ниобий-титан, ниобий-олово, ниобий-германий и др.), для охлаждения которых используется гелий в жидком или сверхкритическом состоянии.
Зависимость средней плотности критического тока от поля и нагрузочные прямые для соленоида из сплава Nb-Ti. Другой путь повышения эффективности использования сверхпроводящего материала состоит в разбиении обмотки на некоторое число концентрических секций, по каждой из которых проходит ток максимально допустимой плотности при соответствующем значении максимального магнитного поля в месте расположения данной секции. Этого можно достичь, запитывая током каждую секцию отдельно. Однако на практике обычно удобнее намотать разные секции проволокой различного диаметра и использовать один и тот же ток во всех секциях при их последовательном соединении. Для иллюстрации этого случая рассмотрим бесконечно длинный соленоид, внутри которого магнитное поле однородно и направлено вдоль оси, а по сечению обмотки постепенно спадает до нуля на внешней поверхности магнита. Внутри каждой секции создается поле ДБ [ г0УДг, где Дг - радиальная толщина секции.
СПК) с жилами из сверхпроводящих материалов, для охлаждения которых используется гелий в жидком или сверхкритическом состоянии.
Схема ракетного двигателя. При этих условиях и наличии недорогих сверхпроводящих материалов использование сверхпроводящих систем станет экономически оправданным.
Известно, что наряду со сверхпроводящими материалами, работающими при гелиевых температурах, в электротехнических устройствах могут быть использованы охлажденные чистые несверхпроводящие материалы, так называемые гиперпроводники. Например, весьма перспективен чистый алюминий, получаемый методом зонной плавки. Его сопротивление при охлаждении до 4 2 К снижается в 2500 раз. Однако экономические расчеты показывают, что наиболее эффективно применение алюминия не при температуре жидкого гелия, а в жидком водороде или неоне. Если в качестве хладагента в криогенных системах можно применить водород, а еще лучше неон, то они получаются более экономичными, а их эксплуатация существенно упрощается. В дальнейшем наибольшее распространение получат, вероятно, устройства, в которых будут одновременно использоваться и гиперпроводники и сверхпроводники.
Поскольку соединение Nb3Sn представляет интерес как сверхпроводящий материал, сохраняющий сверхпроводимость в сильных магнитных полях, был выполнен ряд работ по исследованию фазовых равновесий по методам приготовления сплавов системы ниобий - олово и по определению влияния различных металлургических факторов на физические свойства, связанные со сверхпроводимостью. Еще меньше данных имеется о линии ликвидус при температурах со стороны олова.
Критическая температура хорошо отожженных гонких пленок сверхпроводящих материалов обычно близка к критической температуре массивных образцов. Однако имеются причины, по которым значения критических температур пленки и массивного образца могут различаться.
В замкнутом контуре, изготовленном из сверхпроводящего материала и охлажденном ниже Тк, ток может циркулировать сколь угодно долго, не затухая.
Последний представляет собой замкнутую петлю из сверхпроводящего материала, свитую в двух местах в катушки. Сигнальная катушка с индуктивностью Lc помещается в отверстие СКВИДа так, чтобы получить максимальный коэффициент связи, а приемная катушка с индуктивностью Ln находится в измеряемом МП.
Представленные в сборнике статьи относятся к чрезвычайно важному и перспективному сверхпроводящему материалу, работы по которому получили широкое распространение в нашей стране и за рубежом. Опубликованные данные представляют большой научный и практический интерес для металлургов, технологов, химиков и физиков, работающих над созданием соленоидов из сверхпроводящих материалов.
Сравнение Ti - Nb сплавов с перспективным сверхпроводящим материалом типа А15 ( необходимого для получения магнитных систем с напряженностью поля 100 - 150 кЭ) дает преимущество сплавам титана как более пластичным материалам. Деформируемые сверхпроводящие сплавы на основе титана служат конструкционным материалом для изготовления проволоки и лент. Хотя у титановых сплавов величины критических температур напряжений и токов ниже, чем у сплавов А15, тем не менее они достаточны, чтобы обеспечить возможность использования титановых сплавов в сверхпроводящих системах.
К сожалению, потери энергии в современных сверхпроводящих материалах при изменении магнитного потока слишком велики, чтобы думать об использовании сверхпроводников в сильных полях, изменяющихся с промышленной частотой. Поскольку, однако, допустимы пульсации малой амплитуды на фоне постоянного поля, сверхпроводники могут быть использованы для создания постоянного поля в машинах переменного тока, и прежде всего в синхронном генераторе переменного тока. Ротор такого генератора обычно представляет собой двух - или четырехполюсный магнит, синхронно вращающийся внутри трехфазной обмотки статора. В настоящее время в машинах переменного тока, так же как и в двигателях постоянного тока, только один узел может быть сделан сверхпроводящим, а именно ротор. Тем не менее уже создано несколько моделей синхронных машин, и многие электротехнические фирмы ведут активные исследования в этой области. В генераторах переменного тока используются дипольные обмотки того же типа, что и для МГД-генераторов и ускорителей заряженных частиц.
Сверхпроводящие обмоточные провода. Следует отметить, что специальная механическая обработка сверхпроводящих материалов позволяет существенно увеличить величины критических параметров тока и напряженности магнитного поля.
Центральный сверхпроводник / имеет обмотку 2 также из сверхпроводящего материала. Малогабаритные элементы такого рода являются перспективными для быстродействующих вычислительных машин.
Несомненно, что большинство известных в настоящее время сверхпроводящих материалов относится к жестким сверхпроводникам. Жесткость сверхпроводников связывают с наличием в них нитевидных сверхпроводящих путей. На первый взгляд кажется, что поверхностная энергия, обусловленная наличием в веществе таких нитей, будет увеличивать полную энергию системы и такая конфигурация будет неустойчивой. Однако Абрикосов [60] и Гуд-ман [61] показали, что поверхностная энергия для такого состояния сверхпроводника отрицательна ( это обусловлено малой длиной свободного пробега электронов) и потому в действительности система будет устойчивой. Вся основная масса вещества переходит в нормальное состояние при той же напряженности магнитного поля Нс, что и мягкие сверхпроводники, но по нитям цутри вещества будут протекать сверхпроводящие токи. ВшможЕГб, в некоторых случаях эти нити связаны с дислокациями.
В основе конструкции квантового магнитометра - кольцо из сверхпроводящего материала, в одном месте суженное до точечного контакта. Этот контакт, названный переходом Джозефсона, сравнивают с волшебным мостиком из макромира в микромир.
Несомненно, что большинство известных в настоящее время сверхпроводящих материалов относится к жестким сверхпроводникам. Жесткость сверхпроводников связывают с наличием в них нитевидных сверхпроводящих путей. На первый взгляд кажется, что поверхностная энергия, обусловленная наличием в веществе таких нитей, будет увеличивать полную энергию системы и такая конфигурация будет неустойчивой. Однако Абрикосов [60] и Гуд-ман [61 ] показали, что поверхностная энергия для такого состояния сверхпроводника отрицательна ( это обусловлено малой длиной свободного пробега электронов) и потому в действительности система будет устойчивой. Вся основная масса вещества переходит в нормальное состояние при той же напряженности магнитного поля Нс, что и мягкие сверхпроводники, но по нитям внутри вещества будут протекать сверхпроводящие токи. Возможно, в некоторых случаях эти нити связаны с дислокациями.
В настоящем разделе подробно рассмотрены исторические аспекты развития магнитных и сверхпроводящих материалов и дан эвристический прогноз их дальнейшего развития. Дан обзор новых достижений в развитии свойств этих материалов, новых технологических приемов их получения и описаны примеры практического применения.
Примерное распределение числа сверхпроводников в функции от температуры.
Эта кривая иллюстрирует некоторые вопросы ведущихся исследований по сверхпроводящим материалам.
Сверхпроводник — материал, который при определенных условиях приобретает сверхпроводящие свойства. Это достигается понижением температуры до Tc, при которой сопротивление материала понижается до нуля. В настоящее время проводятся исследования в области сверхпроводимости для того, чтобы повысить температуру перехода в сверхпроводящее состояние до комнатной.
Содержание
[убрать]
|
Править] История
В 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,2 К резко падает до нуля.
Сверхпроводник наименьшего размера был создан в 2010 году на основе органического сверхпроводника (BETS)2GaCl4[1][2], где аббревиатура BETS означает бисэтилендитиотетраселенафульвален. Созданный сверхпроводник состоит всего из четырёх пар молекул этого вещества при общей длине образца порядка 3,76 нм.