Квазікристали. Одержання, властивості та застосування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Квазікристали. Одержання, властивості та застосування

Підготувала студентка

КНУ ім. Тараса Шевченка

хімічного факультету

1 курсу магістратури, кафедри Ф/Х

Півницька Валентина Олегівна

Київ 2014

Сучасний етап розвитку матеріалознавства характеризується появою нових класів металічних сплавів, які мають комплекс привабливих властивостей. У цьому аспекті практичний інтерес має використання металічних сплавів із нетрадиційною квазікристалічною структурою - новим станом закристалізованої речовини, яка має досить цікаве сполучення фізичних властивостей і займає проміжне положення між аморфними й кристалічними матеріалами.

Особливістю будови квазікристалів є нетрадиційний тип кристалічної гратки, який ґрунтується на квазіперіодичній симетрії і проявляє заборонені законами класичної кристалографії осі симетрії 5-го, 8-го, 10-го і 12-го порядку, а також наявність регулярних порожнин.

Наявність обертових осей симетрії (орієнтаційний порядок) і регулярних порожнин відрізняють квазікристали від кристалів, для яких несумісне існування осей симетрії окрім 2, 3, 4, 6 порядку з побудовою щільної кристалічної гратки шляхом трансляції елементарної комірки (трансляційний порядок).

Відкрита вперше у 1984 році Шехтманом і колегами квазікристалічна фаза з віссю симетрії 5-го порядку була названа ікосаедричною (і-фаза), або пентогональною. Вона спостерігалась у сплавах AlMn в інтервалі концентрацій Mn від 25 до 9 ат %. у вигляді ікосаедричних поліедрів ("розеток" п`ятигранної та шестигранної форми) і була розшифрована й описана кристалографічно у шестивимірному просторі. Окрім цієї фази в AlMn-сплавах була виявлена декагональна фаза (D-фаза) із віссю симетрії 10-го порядку, яка на відміну від пентагональної виявилась двомірною.

Одержання квазікристалів та квазікристалічних фаз пов'язане з великими швидкостями переходу (104 - 106 К/с) із рідкого або газоподібного стану у твердий. Квазікристали можуть утворюватися при конденсації газу, у результаті швидкого охолодження краплі розплаву, при одержанні аморфної стрічки сплаву, у результаті розмолу часток сплаву в шаровому млині, а також у процесі розстеклування аморфного сплаву, або відпалу сплаву, що був загартований з високих температур.

На теперішній час відома велика кількість (більше 100) сплавів, в яких виявлені квазікристалічні фази. Перші квазікристали були одержані в сплавах на основі Al, потім - на основі Fe, Ti, Au, Pd, Cr, Zn, Ga, Pb. Квазікристали, одержані при великих швидкостях кристалізації розплавів, дуже часто знаходяться у метастабільному стані, але при визначеному хімічному складі можуть утворюватися термодинамічно стійкі квазікристали.

Стабільні пентагональні квазікристали спочатку були одержані в AlCuLi і AlCuFe сплавах. З практичної точки зору великий інтерес представляють саме потрійні сплави системи Al-Cu-Fe, яка подібно системі Al-Mn має дві квазікристалічні фази: ікосаедричну (AlCu15-25Fe11-17) і декагональну (Al23CuFe4), одержані в умовах швидкої кристалізації. Ікосаедрична фаза цієї системи являється стабільною, що відкриває широкі можливості для дослідження її властивостей.

Перші дослідження системи Al-Cu-Fe були проведені Брадлеєм і Гольдшмідтом у 1939 році.

Структура більшості кристалів заснована на таких простих геометричних фігурах, як куб, тетраедр та октаедр. Було встановлено, що на відміну від них структура квазікристалів заснована, головним чином, на інший геометричній фігурі -- ікосаедрі. Ікосаедр -- це багатогранник, що має 20 граней, кожна з яких є правильним трикутником (рис. 1).

У тривимірному просторі 4 атоми, якщо їх зобразити у вигляді сфер, щільно упаковуються в тетраедр. З невеликими спотвореннями 20 тетраедрів повністю упаковуються в ікосаедр, що складається з 13 атомів, один з яких розташований у центрі, а 12 -- на поверхні. Однак ікосаедр має осі п'ятого порядку, і при заповненні ними простору виникає неузгодженість. Власне, і сам ікосаедр недосконалий, оскільки між 12 атомами (що відображуються як сфери) на поверхні є невеликі проміжки. Відстань між атомами на поверхні приблизно на 5% більша, ніж відстань до центрального атома. Додавання нових атомів у вигляді атомного шару поверх ікосаедра лише збільшує таку неузгодженість. Тому квазікристали зазвичай утворюються ікосаедричними кластерами, між якими розташовуються "склеювальні" атоми, які можуть мати інший розмір,що зменшує або компенсує неузгодженість.

Розрахунки за методами молекулярної динаміки свідчать, що невеликі ділянки з ікосаедричною симетрією можуть траплятися в щільних переохолоджених рідинах. Якщо така холодна рідина утворює до кристалізації скло (аморфний стан), воно складається з кількох невеликих ікосаедричних кластерів. У цих аморфних сплавах спостерігається ближній ікосаедричний порядок у багатьох малих ділянках. Низка теоретичних моделей, зокрема дисклінаційна модель структури аморфних сплавів, пояснює наявність локальної симетрії п'ятого порядку в аморфних матеріалах. За дещо меншої швидкості охолодження, ніж необхідно для формування аморфного стану, в деяких інтерметалідних розплавах утворюється квазікристалічна структура, що складається з ікосаедричних кластерів розміром 1 нм і більше. При цьому деяке неузгодження між кластерами частково або повністю компенсується "склеювальними" атомами в інтерметалідних сплавах з оптимально підібраним складом.

Крім ікосаедричних квазікристалів, існують квазікристали з іншою орієнтаційною симетрією. Аксіальні квазікристали показали наявність поворотних осей симетрії 8-го, 10-го і 12-го порядків та були названі відповідно октагоналиними, декагональними та додекагональними фазами. Ці фази мають квазіперіодичне розташування атомів у площинах, перпендикулярних осям симетрії 8-го, 10-го та 12-го порядків. Самі ж квазіперіодичні площини вздовж цих осей упаковані періодичним способом.

Вдалою знахідкою виявилося використання для опису квазікристалічної структури відомої мозаїки ("паркету") Р. Пенроуза. За допомогою мозаїки Пенроуза можна щільно замостити плоску поверхню атомною структурою, в якій є дальній орієнтаційний порядок і симетрія п'ятого порядку, але немає трансляційної симетрії. Якщо вузлові точки мозаїки замінити атомами, мозаїка Пенроуза стає прийнятним аналогом двовимірного квазікристала. Пенроуз знайшов мозаїку, яка утворюється всього 2 ромбами. Внутрішні кути одного ромба дорівнюють 36 і 144° ("тонкий ромб"), а другого -- 72 і 108° ("товстий ромб") (рис. 2).

Ромби збираються разом за певними правилами, за якими вони підганяються один до одного так, що забезпечується узгодження стрілок на їхніх сторонах (рис. 2).

У мозаїці Пенроуза відношення числа "товстих" ромбів до числа "тонких" дорівнює значенню золотого перетину .

Оскільки це число ірраціональне, то в мозаїці Пенроуза не можна виділити елементарну комірку, яка містила б ціле число ромбів кожного виду і забезпечувала б формування всієї ґратки.

Рис. 3. Мозаїка Пенроуза

Квазікристали можливо віднести до суттєво крихких матеріалів, однак це не означає, що вони не можуть зазнавати будь-якої пластичної деформації. Просто в цих матеріалах величина пластичної деформації обмежена, рух дислокацій затруднений.

Деформування шляхом пластичного зрізу, як правило не призводить до розтріскування квазікристалів. У них виявлена анізотропія пластичних властивостей, знайдені сприятливі й несприятливі напрямки руху дислокацій.

За механічними властивостями квазікристали відрізняються від полікристалів і металічних стекол, вони спроможні пластично деформуватися при значних навантаженнях і є менш крихкі, ніж ковалентно зв'язані кристали, такі як кремній (рис. 4). На опір квазікристалічних сплавів значний вплив має їх хімічний склад. Незначна зміна складу призводить до значної зміни опору. Це є специфічною особливістю електронної структури квазікристалів.

кристалічний металічний сплав молекулярний

Рис. 4. Схема порівняння механічних властивостей різни типів твердих тіл.

Інтерес до застосування квазікристалів в значній мірі пов'язаний з незвичайним поєднанням високої твердості, стійкості до зношування та корозійної стійкості з низькою теплопровідністю та низьким коефіцієнтом тертя. Застосування монокристалів та полікристалів квазікристалічних фаз в якості конструкційних матеріалів обмежене їх високою крихкістю та низькою здатністю до деформування при низьких температурах. Це обмеження знімається, наприклад, шляхом використання квазікристалічних фаз в якості покриття, а також в якості включень в двофазних матеріалах чи наповнювачів у композитних матеріалах.

Покриття на основі ікосаедричної фази Al-Cu-Fe добре сумісні з алюмінієвими сплавами, нержавіючою сталлю та чугуном, володіють високими стійкістю до зношування та корозійною стійкістю, а також стійкістю до високих температур. В поєднанні з недорогими вихідними матеріалами та доступними процесами нанесення перераховані властивості відкривають широкі можливості застосування квазікристалічних покриттів в хімічній промисловості. В даний час французькою фірмою Sitram виробляється широкий асортимент посуду для приготування їжі з антипригарним покриттям Cybernox на основі ікосаедричної фази Al-Cu-Fe з домішками хрому.

Включення квазікристалічних фаз в таких матрицях, як сталь, алюміній, цирконієві та магнієві сплави, призводять до зростання міцності в поєднанні з хорошою пластичністю,особливо при підвищених температурах. Такі двохфазні матеріали можуть бути отримані, наприклад, кристалізацією багатокомпонентного розплаву в першій області рівноважної фазової діаграми.

До перспективних областей застосування квазікристалів слід віднести і перетворення сонячної енергії. Можливість використання квазікристалів у селективних поглиначах сонячного випромінювання, що застосовуються для нагрівання води в теплових генераторах електричної енергії в побутових водонагрівачах, заснована на особливостях спектру оптичного відбивання цих матеріалів в видимому та інфрачервоному діапазонах. Квазікристали з ікосаедричною структурою мають потужні смуги поглинання в видимій області та високий коефіцієнт відбивання в інфрачервоній області спектру, що дозволяє мінімізувати втрати на теплове випромінювання.

Серед інших перспективних застосувань квазікристалів і матеріалів на їх основі можна відмітити каталізатори, термоелектричні холодильники та генератори електричної енергії, металогідридні системи зберігання водню, а також квазікристалічні надгратки для генерації вищих гармонік в лазерній техніці.

Список використаної літератури

1. Адеева Л.И., Борисова А.Л. Квазикристаллические сплавы как новый перспективный материал для защитных покрытий // Физика и химия твердого тела. -- 2002. -- Т. 3, №3. -- С. 454-465.

2. Levine D., Steinhardt P.J. Quasicrystals: a new class of ordered structures // Phys. Rev. Lett. -- 1984. -- V. 53. -- P. 2477-2480.

3. Bendersky L. Quasicrystal with one-dimensional trans lational symmetry and a tenfold rotation axis // Phys. Rev. Lett. -- 1985. -- V. 54. -- P. 1461-1463.

4. Shechtman D., Blech I., Gratias D., Cahn J.W. Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry // Phys. Rev. Lett. -- 1984. -- V. 53. -- P. 1951-1953.

5. Белоус А.Н., Мильман Ю.В., Лоцко Д.В. и др. Исследование методом индентирования механических свойств квазикристаллического компакта системы Al-Cu-Fe, полученного горячим прессованием под высоким давлением // Электронная микроскопия и прочность материалов. -- К.: ИПМ НАНУ, 1998. -- Вып. 9. -- С. 198-213.

6. Milman Yu.V., Ustinov A.I., Dub S.N. et al. Mechanical properties of quasicrystalline Al-Cu-Fe coatings with submicron-sized grains // Surf. Coat. Technol. -- 2007. -- V. 201. -- P. 5937-5943.

7. Мильман Ю.В. Квазикристаллы. Структура и свойства. Неорганическое материаловедение (энцикл. изд.). Основы науки про материалы. -- К.: Наук. думка, 2008. -- Т. 1. -- С. 382-404

8. S. De Palo, S. Usmani, S. Sampath et. al. Fraction and wear behavior of termally sprayed AL-Cu-Fe quasicrystal coating // Proc. of NTSC 97, C.C.Berndt(Ed.) Publ. by ASM International, Materials Park, Ohio, USA, pp. 135-139 (1997).

9. Л.Н. Ларіков. Сучасні тверді покриття з нетрадиційною структурою // Металознавство та обробка металів. 1-2, сс. 42-46 (2000).

Размещено на Allbest.ru