Luyenkim.Net - Trạng thái nghiên cứu ứng dụng cơ bản về Kim loại vô định hình

Trang chủ

Trạng thái nghiên cứu ứng dụng cơ bản về Kim loại vô định hình

(6 votes)

22/11/2007

Thủy tinh (glassy) gợi nên hình ảnh về tính dễ vỡ - "Handle with care - Nhẹ tay thôi". Kính, tinh thể và gốm sứ sẽ vỡ tan tành khi có sự va chạm mạnh. Tuy nhiên, đến khi có mặt của thủy tinh kim loại (metallic glass) đã làm thay đổi nhận thức về "tính dòn" vốn có của thủy tinh. Vộđinh hình (amorphous) hay thủy tinh kim loại (glassy metal) được khám phá vào những năm 1960, khi một hợp kim nào đó được nguội nhanh từ quá trình nguội nhanh trên mặt phẳng bằng áp lực (splat queching). Vào thời đó, Pol Duwez phân loại hợp kim vô định hình thành bán dẫn và kim loại. Khi được nguội nhanh từ pha nóng chảy, các kim loại này đông đặc nhanh chóng theo một trật tự ngẫu nhiên của nguyên tử có trật tự gần thay vì xắp xếp tuần hoàn của nguyên tử tạo thành cấu trúc tinh thể. Từ kết quả đó cho thấy cấu trúc Vô định hình có khả năng tạo thành đối với các hệ hợp kim có "cùng tinh sâu - deep eutectic" và tựa kim loại này là điều cần thiết để chống lại sự tinh thể hóa của kim loại lỏng. Do có sự phân tán từ cấu trúc ngẫu nhiên, điện trở tại nhiệt độ phòng của hợp kim vô đinh hình cao hwon gấp nhiều lần so với hợp kim có cùng thành phần ở dạng tinh thể. Vào cuối những năm 1970, hợp kim vô định hình được xem là lớp hợp kim từ mềm mới. Thủy tinh kim loại cơ sở Fe, như lad Fe40Ni40P14B6, biểu hiện cải thiện đáng kể về độ từ hóa bão hòa, độ tổn hao và độ thẩm từ cùng với độ bền, dộ dẻo và độ dẻo dai tốt. Sử dụng lõi thủy tinh kim loại trong máy biến thế (chẳng hạn Fe-B-Si-C METGLASS®) trở nên phổ biến. Thật không may, sự thuơng mại hóa các hợp kim vô định hình chấm dứt từ đây.

Sự phát hiện về thủy tinh kim loại khối và sự nhận thức về nhiều hợp kim "kỹ thuật" có thể được tiến hành bằng con đường tạo vô định hình đã dẫn đến sự phục hồi mối quan tâm về kim loại vô định hình từ đầu những năm 1990. Một trong những nhà tiên phong là Akihisa Inoue, người mà nhóm của Ông đã có nhiều nghiên cứu rộng rãi về hiện tượng ổn đinh hóa, hành vi tinh thể hóa và hành vi phá hủy của kim loại vô định hình. Những hiểu biết hiện tại cho thấy sự hình thành thể thủy tinh có ở những hợp kim có hiẹuu ứng nhiệt pha trộn kim loại là âm và đường kính nguyên tử của các kim loại thành phần chêch lệch nhau nhiều. Trong những năm gần đây, các nỗ lực nghiên cứu cơ bản đã tập trung vào những hiểu biết về quá trình phân rã thể thủy tinh (devitrification) và điều khiển động học quá trình này, mà sẽ được ứng dụng để phát triển các tính chất mong muốn.

Trong bài viết này, chúng tôi trao đổi với các bạn về trạng thái nghiên cứu về kim loại vô định hình. Trong khi các nghiên cứu chính chú trọng vào các hành vi đông đặc của những vật liệu này, phần thảo luận cũng nêu các khía cạnh khác như phương pháp thay thế, tăng cường tính chất và ứng dụng. Bài viết đầu tiên của J. H. Perepezko và R. J. Hebert về "Hợp kim vô định hình nhôm: Tổng hợp và sự ổn định". Một phần của bài báo này phác thảo lý thuyết về sự tạo thành thủy tinh kim loại. Hợp kim vô định hình Al có được coi là nhóm vật liệu có tầm quan trọng trong số hợp kim kỹ thuật. Bằng quá trình xử lý và hợp kim hóa thích hợp, cấu trúc tổ hợp thủy tinh-nanô tinh thể có thể nhận được độ bền riêng siêu việt. Bên cạnh cách thức nguội nhanh, các tác giả minh họa quá trình vô định hình hóa bằng hợp kim hóa biến dạng (deformation-induced alloying). Rõ ràng là về sau này đã cho phép điều khiển cấu trúc bằng tác động lên ổn định cấu trúc và hiệu năng thực hiện.

Bài thứ hai của W. L. Jonhson về "Kim loại vô định hình khối: Vật liệu kỹ thuật tiên tiến". Vật liệu vô định hình (VĐH) bằng nguội nhanh thường có 1 chiều kích thước rất nhỏ do yêu cầu quá trình tản nhiệt nhanh. Phương pháp nguội kiểu quay (melt spinning) sản xuất dải chỉ dày khoảng vài micrometer. Đièu này dẫn đến sự giới hạn về khả năng tạo cấu trúc khối 3 chiều. Ví dụ, các dải melt-spinning vụn và bột atomized (bột tạo bằng phuơng pháp phun bột) cần có thêm quá trình kết khối (consolidate) để tạo dạng khối. Nếu quá trình kết khối đòi hỏi nhiệt độ cao, sẽ xảy ra quá trình chuyển pha không kiểm soát được của pha thủy tinh. Hơn nữa, do các bột có vô số biên mặt từ quá trình tạo bột do đó chúng là nguồn khuyết tật trong quá trình kết khối. Thật may mắn, với một hợp chất nhất định quá trình thủy tinh hóa xảy ra khi được làm nguội tương đối chậm. Bài báo này mô tả nhiều đặc trưng hợp kim lỏng liên quan đến sự tạo thành thể thủy tinh. Cũng vậy, có trường hợp được ứng dụng của kim loại vô định hình kết cấu làm vật liệu kỹ thuật, từ thực tế cho thấy bằng việc bổ sung pha thứ hai đã cho thấy đã ngăn chặn phá hủy trượt đồng loạt và tăng dẻo dai cho thủy tinh kim loại.

Bài báo thứ ba của M. A. Willard và V. G. Harris về "Vật liệu từ mềm: Hợp kim nano-tinh thể từ hợp kim vô định hình cho sẵn". Mặc dù, những chú trọng trong những năm gần đây tập trung vào tính chất cơ học của kim loại VĐH, sự hấp dẫn khác nữa của hợp kim vô định hình nào đó là tính chất từ hữu ích của nó. Sự giảm dị hướng từ là một lợi ích của cấu trúc VĐH. Bài báo này tahor luận về sự phát triển của cấu trúc tổ hợp nanô tinh thể từ hợp kim VĐH nhất định. Vật liệu tổ hợp nanô làm suy giảm thủy tinh hóa có biểu hiện ổn định nhiệt, tăng cường độ từ hóa bão hòa, hệ số kháng từ thấp, độ từ giảo thấp, và độ thẩm từ cao so với thủy tinh kim loại đơn pha. Các ứng dụng tiềm năng được xem xét là máy biến thế, bộ lọc, các dạng lõi từ và cảm biến.

Biên dịch và giới thiệu: Nguyễn Hoàng Việt

Nguyên bản: "The State of Fundamental Applied Research in Amorphous Metals", Khershed P. Cooper đăng trên JOM tháng 3 năm 2002.