Грануллированые и аморфные сплавы

Содержание 

Введение …………………………………………………………………………..3

         Глава 1. Монокристалл определение………………………………………4

1. Получение монокристаллов …………………………………………………5

 

2. Структура монокристаллов…...…………………………………………….11

 

3. Пример получения монокристалла соли в домашних условиях……….…12

         Глава 2. Грануллированые и аморфные сплавы ………………………...15

2.1 Грануллированые и аморфные сплавы определение……………………...15

2.2 Особенности получения граннуллированых и аморфных сплавов ……...16

        Заключение………………………………………………………………….19

        Список  используемых источников и литературы………………………..21

 

Введение

В наше время без монокристаллов нельзя заниматься исследованием структуры и свойств металлов и сплавов, механизмов пластической деформации и разрушения, исследовать природу межатомной связи в металлах, сплавах и соединениях. Изучение топологии поверхности Ферми требует получения высокочистых и совершенных металлических монокристаллов. Работа с высокочистыми и монокристаллическими материалами позволяет обнаружить новые свойства, которые не проявляются на аналогичных поликристаллических объектах. Сегодня монокристаллы металлов, сплавов и соединений — не только уникальные объекты исследований в области физики твердого тела, но и реальные материалы новой техники, которые в ряде случаев уже нашли практическое применение.

 

Получение искусственным путем первых металлических монокристаллов относится к началу XX в. Это были монокристаллы легкоплавких металлов, которые сразу нашли применение в качестве объектов фундаментальных исследований. Однако металлические монокристаллы, в отличие от полупроводниковых, долгое время не находили технического применения. Оно началось лишь в 60-е годы, когда был осуществлен синтез достаточно крупных и высокочистых монокристаллов тугоплавких металлов. Роль металлических монокристаллов в науке и технике непрерывно возрастает. Одновременно возрастают требования к чистоте, совершенству структуры и геометрии выращиваемых монокристаллов. Глубокая очистка от примесей и получение монокристаллов — путь к созданию материалов с заданными свойствами наряду с легированием. Следует подчеркнуть, что вопросы получения металлических монокристаллов и их глубокой очистки неразрывно связаны: существует прямая зависимость между степенью совершенства монокристалла и уровнем содержащихся в нем примесей.

Основные способы очистки металлов от примесей — гидрометаллургические процессы, ионный обмен, диссоциация галлоидных соединений, жидкостная экстракция, электролиз, возгонка, осаждение из паровой фазы, ваккумная плавка. Эффективность каждого из перечисленных способов определяется физико-химическими свойствами основного металла и содержащихся в нем примесей.

 

Глава 1. Монокристалл определение

Монокристалл - это отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств. Внешняя форма монокристаллов обусловлена его атомно кристаллической структурой и условиями кристаллизации. Часто монокристалл приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях кристаллизации огранка проявляется слабо. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить монокристалл Кварца, каменной соли, исландского шпата, Алмаза, Топаза. От монокристаллов отличают Поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных мелких монокристаллов.

Первоначально в технике использовались природные монокристаллы, однако их запасы ограничены, а качество не всегда достаточно высоко. В то же время многие ценные свойства были найдены только у синтетических кристаллов. Поэтому появилась необходимость искусственного выращивания монокристаллов. Исходное вещество для выращивания монокристаллов может быть в твёрдом (в частности, в порошкообразном), жидком (расплавы и растворы) и газообразном состояниях.

 

1.1 Получение монокристаллов

В настоящее время насчитывается около 150 разновидностей методов получения монокристаллов из паровой, жидкой (расплавов и растворов) и твердой фаз. Несмотря на большое многообразие, существующие методы получения металлических монокристаллов из жидкой фазы можно разделить на четыре группы.

 

1. Образование монокристалла из расплава внутри тигля, постепенно перемещающегося с расплавом из горячей зоны печи через холодную диафрагму по методу Бриджмена-Стокбаргера.

 

1. тигель с расплавом; 2. кристалл; 3 .печь; 4 . холодильник; 5 .термопара; 6 .диафрагма.

Тигель с расплавом (1) перемещают вдоль печи( 3) в вертикальном направлении со скоростью 1—20 мм/ч. Температура в плоскости диафрагмы(6)поддерживается равной температуре кристаллизации вещества. Т. к. тигель имеет коническое дно, то при его медленном опускании расплав в конусе оказывается при температуре ниже температуры кристаллизации, и в нём происходит образование (зарождение) мельчайших кристалликов, из которых в дальнейшем благодаря геометрическому отбору выживает лишь один. Отбор связан главным образом с анизотропией скоростей роста граней монокристалла. Этот метод широко используется в промышленном производстве крупных монокристаллов.- флюорита, фтористого лития, сернистого кадмия и др. 

2. Кристаллизация путем выведения части расплава из тигля с помощью затравки по методу Чохральского, и Степанова — вытягивание профилированных монокристаллов из расплава через диафрагму.

1 . тигель с расплавом; 2 . кристалл; 3 . печь; 4 . холодильник;

 5 . механизм вытягивания.

 

Монокристалл медленно вытягивается из расплава .Скорость вытягивания 1—20 мм/ч. Метод позволяет получать монокристалл заданной кристаллографической ориентации. Метод Чохральского применяется при выращивании монокристалла иттриево-алюминиевого граната, ниобата лития и полупроводниковых монокристаллов.

 А. В. Степанов создал  на основе этого метода способ  для выращивания монокристалла с сечением заданной формы, который используется для производства полупроводниковых монокристаллов.

 

Формирование монокристалла наплавлением металла или какого-либо другого вещества на торцевую поверхность перемещающейся вниз затравки метод Вернейля.

1 . бункер; 2 . кристалл; 3 . печь; 4 . свеча; 5 . механизм опускания;

6 . механизм встряхивания.

 

Метод Вернейля без тигельный. Вещество в виде порошка (размер частиц 2—100 мкм) из бункера (1) через кислородно-водородное пламя подаётся на верхний оплавленный торец затравочного монокристалла (2), медленно опускающегося с помощью механизма(5). Метод Вернейля — основной промышленный метод производства тугоплавких монокристаллов Рубина, шпинелей, Рутила и др.

 

3. Зонная плавка, предложенная ДЖ. Пфанном(1927)  . К зонной плавке близок метод кристаллизации из металлических расплавов (зонная плавка с температурным градиентом).  В методе зонной плавки создаётся весьма ограниченная по ширине область расплава. Затем благодаря последовательному проплавлению всего слитка получают монокристаллы. Метод зонного проплавления получил широкое распространение в производстве полупроводниковых монокристаллов, а также тугоплавких металлический монокристаллов Молибден, Вольфрам и др.Методы выращивания из раствора включают 3 способа: низкотемпературный (растворители: вода, спирты, кислоты и др.), высокотемпературный (растворители: расплавленные соли и др.) и гидротермальный.

1 . раствор; 2 . кристалл; 3 . печь; 4 . термостат; 5 . мешалка;

6 . контактный термометр; 7 . терморегулятор.

 

Низкотемпературный кристаллизатор представляет собой сосуд с раствором (1), в котором создаётся пересыщение, необходимое для роста кристаллов (2) путём медленного снижения температуры. Этот метод используется для получения крупных монокристаллов сегнетовой соли, дигидрофосфата калия (KDP), нафталина и др.

 

Высокотемпературный кристаллизатор содержит тигель с растворителем и кристаллизуемым соединением, помещенный в печь. Кристаллизуемое соединение выпадает из растворителя при медленном снижении температуры (раствор-расплавная кристаллизация).

1 . раствор; 2 . кристалл; 3 . печь; 4 . тигель.

Метод применяется для получения монокристаллов железоиттриевых гранатов, слюды, а также различных полупроводниковых плёнок.

 

Гидротермальный синтез монокристаллов основан на зависимости растворимости вещества в водных растворах кислот и щелочей от давления и температуры.

1 . раствор; 2 . кристалл; 3 . печь; 4 .вещество для кристаллизации.

Необходимые для образования монокристалла концентрация вещества в растворе и пересыщение создаются за счёт высокого давления (до 300 Мн/м2 или 3000 кгс/см2) и перепадом температуры между верхней (T1 Монокристалл 250°C) и нижней (Т2 Монокристалл 500 °С) частями автоклава. Перенос вещества осуществляется конвективным перемешиванием. Гидротермальный синтез является основным процессом производства монокристалла кварца.

Выбор метода выращивания монокристаллов определяется требованием к качеству монокристалла (количество и характер присущих монокристаллам дефектов). Различают макроскопические дефекты (инородные включения, блоки, напряжения) и микроскопические (Дислокации, примеси, вакансии). Существуют специальные методы уменьшения числа дефектов в монокристаллов (отжиг, выращивание монокристалла на бездефектных затравочных кристаллах и др.).

 

1.2 Структура монокристаллов

Монокристаллы — твердые тела, частицы которых образуют единую кристаллическую решетку. Кристаллическая структура монокристаллов обнаруживается по их внешней форме. Хотя внешняя форма монокристаллов одного вида может быть различной, но углы между соответствующими гранями у них остаются постоянными. Это закон постоянства углов, сформулированный М.В.Ломоносовым. Он сделал важный вывод, что правильная форма кристаллов связана с закономерным размещением частиц, образующих кристалл. Монокристаллами являются большинство минералов. Однако крупные природные монокристаллы встречаются довольно редко (например, лед, поваренная соль, исландский шпат).

Характерной особенностью монокристаллов является их анизотропность, т.е. зависимость физических свойств: упругих, механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических — от направления. Анизотропия монокристаллов объясняется тем, что в кристаллической решетке различно число частиц, приходящихся на одинаковые по длине, но разные по направлению отрезки,

т. е. плотность расположения частиц кристаллической решетки по разным направлениям не одинакова, что и приводит к различию свойств кристалла вдоль этих направлений.

 

1.3 Пример получения монокристалла соли в домашних условиях.

Оборудование:

Два стакана, ёмкость (например, кастрюля) с тёплой водой, поваренная соль, фильтр из промокашки или вата, воронка для фильтрации.

Выращивание кристаллов поваренной соли — процесс, не требующий наличия каких-то особых химических препаратов. У нас всех есть пищевая соль (или поваренная соль), которую мы принимаем в пищу. Её также можно назвать и каменной — всё одно и то же. Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики.

 

Ход работы:

 

1. Приготовление насыщенного  раствора поваренной соли.

 

Налить воды в  стакан и поставить его в кастрюлю с тёплой водой (не более 50°С — 60°С). Насыпать пищевую соль в стакан и оставьте минут на 5, предварительно помешав. За это время стакан с водой нагреется, а соль растворится. Желательно, чтобы температура воды пока не снижалась. Затем добавьте ещё соль и снова перемешайте. Повторять этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Так мы получили насыщенный раствор соли.

 

2. Фильтрация раствора.

 

Перелить его в чистую ёмкость такого же объёма через фильтр, сделанный из обычной промокашки или через вату , избавившись при этом от излишек соли на дне.

 

3. Выбор кристалликов  для затравки.

 

Выбрать любой понравившийся более крупный кристаллик поваренной соли и положить его на дно стакана с насыщенным раствором. Можно кристаллик привязать за нитку и подвесить, чтобы он не касался стенок стакана.

 

4. Наблюдение за ростом  и формой кристалла.

 

Теперь нужно подождать. Уже через пару дней можно заметить значительный для кристаллика рост. С каждым днём он будет увеличиваться. А если проделать всё то же ещё раз (приготовить насыщенный раствор соли и опустить в него этот кристаллик), то он будет расти гораздо быстрее.

 

Итог наблюдений: монокристаллы поваренной соли растут очень медленно, но имеют правильную кубическую форму и представляют собой   бесцветные прозрачные кубики.

 

Нужно помнить, что раствор должен быть насыщенным, то есть при приготовлении раствора на дне стакана всегда должна оставаться соль (на всякий случай). Для сведений: в 100г воды при температуре 20°С может раствориться приблизительно 35г поваренной соли. С повышением температуры растворимость соли растёт.