Диссертация (1149735), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Каждый из пяти дисков состоитиз 55 десятисантиметровых шестиугольников (Рисунок 1.17б), покрытых Zr-NbCu-Ni-Al металлическим стеклом, поглощающим и сохраняющим ионы He и Ne.После возвращения на Землю поверхность металлических стёкол будетравномерно растворена, что позволит освобождать захваченные ионы слой заслоем. Это позволит проверить гипотезу, что высокоэнергетичные частицыотличаются по составу от частиц солнечного ветра, т.к. высокоэнергетичные ионыпри столкновении с детектором проникают глубже в поверхность.(а)(б)Рисунок 1.17. (а) Космический аппарат Genesis.
(б) Andy Stone демонстрирует одиниз коллекторов солнечного ветра.1.2. Модификация аморфной структуры1.2.1. Наностекло как новое структурное состояние металлическихстёкол. Методы получения наностёколКристаллические материалы являются наиболее используемым человекомклассомматериалов.Основнойпричинойтакойраспространённостикристаллических материалов является возможность контролирования их свойств37путём модификации их дефектной или химической микроструктуры. Стёкла,получаемые охлаждением расплава или пара, не получают такого широкогоприменения.
Причиной этого является невозможность контролирования дефектнойили химической микроструктуры из-за метода производства стёкол. Как следствие,на данный момент невозможно изменять свойства металлических стёкол путёмконтролируемой модификации их дефектной или химической микроструктуры.Так появилась идея создания нового типа металлических стёкол – наностёкол,структуру которых можно модифицировать методом, применяемым ранее длясоздания нанокристаллических материалов [47]. Впервые наностёкла былиполучены методом конденсации паров в атмосфере инертного газа с последующимкомпактированием [48]. Если испаряемый материал имеет стеклообразующуюспособность, то его испарение и последующая закалка в атмосфере гелия приведётк формированию наноразмерных стеклянных капель.
Последующая консолидациятаких стеклянных капель приведёт к формированию твёрдого тела с повышеннымсвободным объёмом. Повышенный свободный объём сосредотачивается в областяхконтакта соседних капель при компактировании. Таким образом, структурананостёкол представляет собой наноразмерные аморфные кластеры, разделённыебольшим числом границ с повышенным свободным объёмом (Рисунок 1.18).Рисунок 1.18. Двумерная схема структуры наностекла. Атомы представленышариками.
Наностекло из двух областей: кластеров (чёрные круги), расстояниямежду атомами в кластерах соответствуют межатомным расстояниям ОМС;межкластерных границ (белые круги) с большим расстоянием между атомами [47].Объёмная доля границ между кластерами уменьшается с увеличениемразмеров аморфных капель. А значит, варьируя размер или химический состав38консолидируемых капель возможно контролировать объёмную долю границ.Таким образом возможна модификация атомной структуры и свойств наностёкол.Как говорилось выше, впервые наностёкла были получены методом конденсациипаров в атмосфере инертного газе с последующим компактированием (Рисунок1.19) [48]. Этот метод состоит из двух шагов. На первом этапе путём испарения ватмосфере инертного газа (обычно гелия) создаются наноразмерные аморфныесферы.
Полученные кластеры собираются на охлаждаемой поверхности. Далеекластеры соскабливаются и компактируются в гранулообразные образцы.Компактирование обычно осуществляется под давлением в 5 ГПа. Подобнаяпроцедурасозданиянаностёколаналогичнаприменяемойдлясозданиянанокристаллических материалов используя подход «снизу вверх». Конденсациейв инертном газе были получены наностёкла различного химического состава: AuSi, Au-La, Fe-Si, Fe-Sc, La-Si, Pd-Si, Ni-Ti, Ni-Zr, Ti-P [47, 48, 50].Рисунок 1.19.
Схема получения наностёкол путём консолидации наноразмерныхстеклянных аморфных кластеров, полученных выпариванием в атмосфереинертного газа [49].Новым методом получения наностёкол является магнетронное распыление,используемое для получения тонких плёнок из различных материалов (Рисунок1.20). Он показал свою эффективность для создания наностёкол на основе Au- [51]и Ni- [52]. За основу в магнетронном распылении используются мишени,состоящие из смеси химических элементов в виде порошков со средним диаметромот 100 нм до 100 мкм. Между мишенью и подложкой генерируются39высокоэнергетичные ионы Ar, вызывающие вынос материала мишени, которыйзатем осаждается на подложку (Рисунок 1.20).
В зависимости от химическогосостава порошков подбираются определённые режимы напыления: температураподложки, скорость осаждения, рабочее давление, расстояние между подложкой имишенью, угол наклона мишени. В зависимости от предполагаемого химическогосостава мишени и режимов напыления методом магнетронного распылениявозможно создание наностёкол с размером кластеров от 5 до 30 нм [51, 52].Рисунок 1.20. Синтез Au-наностекла методом магнетронного распыления [51].Наностёкла, полученные методами конденсации паров в атмосфереинертного газа с последующим компактированием и магнетронным распыленияимеют как сходства, так и различия.
Самое очевидное различие – формированиенанокластернойструктурыметодомконденсациипароввотличиеотколоннообразной структуры, получаемой методом магнетронного напыления. Темне менее, можно считать, что оба типа наностёкол имеют сопоставимые структурыи свойства.Известно, что введение полос сдвига в металлические стёкла методамипредварительного пластического деформирования существенно влияет как намикроструктуру, так и на свойства стёкол [53].
Расстояние между соседнимиполосами сдвига уменьшается с повышением степени деформации. Минимальноерасстояние между полосами сдвига, достигаемое методами пластическогодеформирования, составляет от несколько до сотни нанометров [54]. Т.к. полосысдвига обладают повышенным содержанием свободного объёма, свободный объёмметаллического стекла будет повышаться с увеличением степени деформации [53,4054]. Если предположить, что структура недеформированных регионов междуполосами сдвига остаётся такой же, как и в исходном состоянии, то пластическоедеформирование приводит к формированию структуры, похожей на структурунаностёкол (Рисунок 1.18): кластеры со структурой сходной со структуройисходного металлического стекла и границы (образованные полосами сдвига) сповышенным свободным объёмом.1.2.2.
Структура и механические свойства наностёколИдея и термин «наностекло» появились в 1989 году [48], однако, из-засложности их изготовления и изучения лишь немногие научные коллективызанимались их исследованием. До недавнего времени никому не удавалосьнагляднопоказатьформированиенаностекла,соответственно,подлиннаяструктура наностёкол оставалась неисследованной.
Первое экспериментальноедоказательство формирования подобной структуры было получено только в 2011[51] для наностекла на основе Au-. Au52Ag5Pd2Cu25Si10Al6 наностекло былополучено методом магнетронного напыления. На снимке микроструктуры(Рисунок 1.21а) видна кластерная структура с областями светлого и тёмногоконтраста. Области тёмного контраста соответствуют аморфным областямбольшей плотности (кластерам). Области светлого контраста, расположенныемежду кластерами (Рисунок 1.21б), соответствуют аморфным областям меньшейплотности (границам).
Средний размер кластеров составляет 29 нм. Дифракция скластеров (Рисунок 1.21в) показывает размытое диффузное гало, что подтверждаетаморфную природу кластеров. Нанодифракция, снятая с границ между кластерами(Рисунок 1.21г), демонстрирует только диффузное гало, что говорит об аморфнойструктуре границ.41(в)(г)(б)(а)Рисунок 1.21. (а) Светлопольный ПЭМ снимок Au52Ag5Pd2Cu25Si10Al6, (б) СнимокПЭМ высокого разрешения, показывающий границы между кластерами, (в)картина дифракции, снятой с кластера, (г) нанодифракция, снятая с границы междукластеров [51].В силу ограничений на получаемые размеры образцов наностёкол, на данныймомент исследование их механических свойств возможно только рядом методов:наноиндентирование, испытания на микросжатие или микрорастяжение. Но,несмотря на это, наностёкла демонстрирует повышенные механические свойства всравнении с металлическими стёклами того же химического состава.В работе [55] проводилось исследование свойств Sc75Fe25 наностекла,полученного путём конденсации паров в атмосфере инертного газе с последующимкомпактированием,методаминаноиндентированияимикросжатия,микрорастяжения в колонне просвечивающего электронного микроскопа.
НаРисунке 1.22 представлены кривые нагрузка-глубина индентирования для Sc75Fe25металлического стекла (Рисунок 1.22а) и наностекла (Рисунок 1.22б). Дляметаллическогостекланакривыхиндентированиянаблюдаютсяскачкидеформации, кривые же индентирования наностекла имеют гладкий вид. Подобноезубчатое течение характерно для металлических стёкол, каждый скачоксоответствуетформированиюипрохождениюполосысдвигапридеформировании.
Отсутствие таких скачков на кривых индентирования наностеклапредполагаетегооднородноедеформированиезасчётодновременногоформирования и прохождения многих полос сдвига. Также различаются и профили42отпечатков после индентирования: отпечаток на наностекле характерен отпечаткамна пластичных материалах, отпечаток на металлическом стекле – на хрупких.Рисунок 1.22.
Кривые нагрузка-глубина индентирования при разных скоростяхдеформирования для (а) Sc75Fe25 металлического стекла и (б) Sc75Fe25 наностекла.На вставках – профили поверхности вокруг отпечатка [55].Для испытания на микросжатие методом FIB были подготовлены образцыквадратного сечения шириной 300 нм и длиной 600 нм. Деформированиепроходилососкоростью1х10-3с-1.Образецметаллическогостекладеформировался упруго до напряжения в 1.53 ГПа, по достижении этогонапряжения наблюдалось падение напряжения на 0.3 ГПа (Рисунок 1.23а),соответствующее сдвигу на поверхности образца в точке А (Рисунок 1.23в). Придальнейшем деформировании наблюдалось очередное резкое падение напряженияв точке В (сдвиг в точке В). Образец же наностекла после упругогодеформирования до напряжения в 1.27 ГПа (Рисунок 1.23а) стал деформироватьсяпластично.
Резких падений напряжения до разгрузки по достижению деформациив 50% не наблюдалось. На кривой деформирования наблюдаются маленькиепадения напряжения <0.1 ГПа, соответствующие прохождению многих полоссдвига. Предполагается, что образец деформируется однородно из-за прохождениямножественных полос сдвига, а не локализации деформации в нескольких полосах.Пластическая деформация в продольном направлении составила 43%, впоперечном – 35%.43(а)(б)(в)Рисунок 1.23. (а) Кривые сжатия образцов Sc75Fe25 металлического стекла инаностекла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
