Kovová skla, kompozity, GFM, ferrofluidy, molekulární

Moderní materiály s aplikačním potenciálem
7.5.
Amorfní kovy
Kompozity, FGM
Ferrofluidy
Molekulární magnety
Amorfní kovy – kovová skla, kvazikrystaly
Kovy – vysoká rychlost krystalizace, hranice zrn
vs.
Skla – pomalá rekrystalizace – přechlazená kapalina,
amorfní distribuce atomů, velmi křehké
Amorfní kovy – kovová skla, kvazikrystaly
Kovová skla – amorfní slitiny kovů, vpodstatě
přechlazené taveniny
- rychlost chlazení až 106 K/s
- atomy nemají dost energie nebo času k reorganizaci
- kovový vzhled
- Au80Si20 – 1. kovové sklo
Tt
TG
teplota
Amorfní kovy – kovová skla, kvazikrystaly
Vlastnosti
•Pevnost – 2x větší než ocel
•Tvrdost
•Houževnatost – lepší než keramiky
•Elasticita – vyšší mez kluzu
Absence hranic mezi zrny:
•Odolnost proti korozi a opotřebení
•Velmi měkké magnetické vlastnosti
•Vysoký elektrický odpor – zanedbatelné vířivé proudy
•Snadná magnetizace-demagnetizace
•Nízká tepelná vodivost
Amorfní kovy – kovová skla, kvazikrystaly
Amorfní kovy – kovová skla, kvazikrystaly
Objemové změny během superchalzení a krystalizace
Amorfní kovy – kovová skla, kvazikrystaly
Příprava
Řídící faktor: CCT – critical casting thicknes
Amorfní kovy – kovová skla, kvazikrystaly
Příprava
Metody
• HVOF (high velocity oxygen fuel) thermal spraying
Fe, Al, Ti – ponorky, vrtné soupravy, trubky
• Melt-spinning - Metglas
Fe-Ni-P-B – nízkoztrátová jádra transformátorů
analogicky – splat-cooling
Pro umožnění tvarování 3D objektů – snaha o snížení
chladících rychlostí a zvýšení CCT
Melt spinning
Amorfní kovy – kovová skla, kvazikrystaly
Kriteria pro tvorbu kovového skla
•Multikomponentí slitiny (3 a více)
Čím větší a složitější elementární buňka, snížení
preference tvořit uspořádání na dlouhou vzdálenost
•Velký rozdíl atomových poloměrů
Větší než 12% - vyšší hustota uspořádání, pokles
volného objemu v kapalné fázi, nárust krystalizačního
objemu
Amorfní kovy – kovová skla, kvazikrystaly
Kriteria pro tvorbu kovového skla
•Záporné směšovací teplo mezi hlavními prvky
Zvýšení energetické bariéry na rozhraní kapalina-pevná
fáze, snížení difuzivity = nárust rovnovážné viskozity =
snížení krystalizační rychlosti = rozšíření
superpřechllazené oblasti
•Směs blízko k nízkoležícím eutektikům
Stabilizace
Pokles rychlosti krystalizace = stabilní objemové sklo
Amorfní kovy – kovová skla, kvazikrystaly
Příklady
•Pd-T-Si, T = Cu, Ag, Fe, Co, Ni
•La-Al-M, M = Ni, Cu
•Mg-Cu-Y
•Zr-Al-Ni-Cu-Be
•Vitreloy – Vit1 – 1. komerční BMG: Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5
•Vit2, Vit105
•Zr-Mg-Fe-Al-Pd-Hf-Nd
Amorfní kovy – kovová skla, kvazikrystaly
Materiály odvozené od Vit1
• termosety, CCT až 10 cm, mikroskopicky přesné objekty
• nejsou nutné sekundární úpravy povrchů
Amorfní kovy – aplikace
Sportovní vybavení – golf, baseball, tenis,
lyže, snowboardy ...
99 % energie přeneseno na míček
Amorfní kovy – aplikace
Obalová technika, povrchy - luxusní hodinky, lehké obaly
elektroniky (mobily, notebooky)
Medicína – oční skalpely, implantáty, pouzdra
kardiostimulátorů
Vojenství – projektily, bomby, letadla, ponorky
Amorfní kovy – aplikace
Solární vítr
NASA 2001 – vzorky solárního větru, vznášedlo Genesis
5 kolektorů, průměr 1 m
v každém 55 šestiúhelníků, průměr 10 cm, Zr-Nb-Cu-Ni-Al
Absorbce He a Ne
Uvolnění He a Ne – leptání povrchové vrstvy kovového skla
Ionty s vyšší energií - hlouběji
Amorfní kovy – pěny
•Analogie plastové pěny, velký povrch
(80 % objemu jsou dutiny)
• open-cell vs. closed-cell
•Typicky na bázi Al
•Drahé – speciální technologie v letectví,
tepelné výměníky
Funkčně gradientní materiály (FGM)
Skupina heterogenních multifázových systémů s konstituční gradací
Složení a mikrostruktury v makroskopickém měřítku, tedy bez
zřetelného rozhraní jako v tradičních materiálech...
Funkčně gradientní materiály (FGM)
Aplikace
Letectví, kosmonautika (T nad 1800 oC)
Technické filtry
Ložiska, složité součástky
Součásti pro rychlé reaktory (s Na chladivem)
Biokompatibilní materiály (Ti-hydroxyapatit)
Příprava, výroba
Prášková metalurgie – lisování,slinování
CVD, PVD, PS
HIP - difuzní spojování při izostatickém lisování
Galvanicky
Dodatečné tepelné úpravy mikrostruktury
Kompozity
Matrice vs. částice, vlákna
Kov, keramika, uhlík, polymer
Materiál ze dvou, nebo více substancí s rozdílnými vlastnostmi, které dohromady
dávají výslednému výrobku nové vlastnosti, které nemá sama o sobě žádná z jeho
součástí...
Kompozity
Příklady, aplikace
Železobeton, sklolaminát, asfalt
Uhlíkové kompozity – lehké části letadel, strojů, neprůstřelné vesty
Srovnání - Youngův modulus
Srovnání - Pevnost vs. náklady...
Ferrofluidy
Magnetické nanočástice v surfaktantu – magnetické kapaliny
Ferrofluidy
Nanočástice
cca 10 nm: magnetit, hematit
2-10 obj. %
Surfaktant
proti aglomeraci částic
N(CH4)4OH, kys. olejová,
citronová, lecitin, mycely
- nejsou ferromagnetické, ale superparamagnetické
dodnes vpodstate neexistuje ferromagnetická kapalina:
Albrecht et al, Appl. Phys. A 65, 215–220 (1997) –
elektromagnetická levitace
Ferrofluidy
Struktura:
Ferromagnetické jádro
+ dipóly na povrchu
Velikost částice:
Fyzická (Dp) Magnetická (Dm)
většinou: Dh > Dp > Dm
Magnetické pole:
Bernoulliho rce, p = B
Hydrodynamická (Dh)
Ferrofluidy
Typy:
Pravé ferrofluidy – částice neaglomerují, kapalné i v
magnetickém poli
Magneto-rheologické ferrofluidy – částice v řádu
mikrometrů, tuhnou po aplikaci magnetického pole
Ferrofluidy
Normální instabilita v magnetickém poli
Špičky – nad kritickou hodnotou mag. pole
EP + EG < EM
Energie povrchová, gravitační, magnetostatická, hustota
Interakce, vliv magnetického pole:
– Brownův pohyb, van der Waals, elektrostatická
- nárust viskozity s mag. polem
Ferrofluidy
Nelineární optické efekty
Du et al, Appl. Phys. Lett., Vol. 72, No. 3, 19, 1998.
Vodivostní rovnice: dT/dt – χΔT= σI /ρCp
absorbční koeficient σ = f(c)
krátký čas
dlouhý čas
Transmise – refrakční index
- změna teploty = termální kroužky
- změna koncentrace částic okolo optické osy
změní pouze intenzitu v kroužcích ne počet
- nárust s aplikací magnetického pole
Ferrofluidy
Aplikace
•Kapalné stínění v rotační ose HD
•Odvod tepla (megafony)
•Navigační systémy
•Optická měření (dichroismus, Farradayova rotace)
•Krevní separace
•Nádorová analýza
•Elektromagnetické stínění
•Tlumiče ...
Molekulární magnety
První známý: [Mn12O12(O2CMe)12(H2O)4]
Struktura molekuly
Mn4+ ions (modrá) Mn3+ ions (růž.)
Magnetická struktura
Spiny na Mn4+ (S = 3/2) AF se spiny na
Mn3+ (S = 2)
Spin ZS = 8 x 2 – 4 x 3/2 = 10
(Christou et al, J. Amer. Chem. Soc., 1993, 115, 1804)
Molekulární magnety
Možná architektura:
organické:
polycarbeny, nitronylnitroxidové radikály TC
~ 1.4 K
1, 2 and 3D
networky:
multi-chelatující ligandy
TC ~ 10 K
Single molecular magnets:
zcela izolované, tzv. N-mery – klece, kola …
Molekulární magnety
Obří MM – {Mn84} S = 6
Molekulární magnety
• velikost systému << char. interakční délka
• kvantový přístup
• dobře definovaný ZS a anizotropie
Kvantové tunelování magnetizace – QTM
Molekulární magnety
Kvantové tunelování magnetizace
termálně:
relaxace časově a teplotně závislá
Tunelování (QT):
T~ 0K (0.36 K for {Fe8}) čistě QT
mezi m = ± 10 ZS
Mezoskopické měření magnetizace
Mikro-SQUID
• krystal ~ μm
• 10-12 – 10-17 emu
• 0.03 – 7 K
• < 1.4 T
W. Wernsdorfer, 1996
Molekulární magnety – giant spin model
H = -DSz2 + E(Sx2-Sy2) + gμBSH
anisotropní konstatnty
Zeemanův člen
D/kB 0.275 K, E/kB 0.046 K
Energy levels
Zeemanův diagram pro {Fe8} [21x21]
Level-crossing pro B ~ n x 0.22 T
Molekulární magnety – giant spin model
Barbara et al, Nature, 1996, 383, 145.
Molekulární magnety – Landau-Zenner
Neadiabatický přechod ve 2-hladinovém systému (Landau, Zener, Stueckelberger)
A.-L. Barra et al., EPL (1996)
Čím vyšší D a nižší sweep, tím vyšší tunelovací poměr !
Molekulární magnety – Landau-Zenner
Magnetického pole v okolí Δ-10,10-n :
Rychlá relaxace do stavu m = 10
1. čistě GS
2. s emisí fononu
Molekulární magnety
Kvantová dynamika jednotlivého velkého spinu
Pozorování tzv. Berryho fáze
Kvantové tunelování magnetizace
První krok k realizaci Rabiho oscilací (r.a. photonu v molekule V15)
První implementace Groverova algoritmu (teor.)
Kvantové počítače
MRAM