Застывший беспорядок в аморфных металлических лентах

Авторы: Екатерина Холодилова, Мария Малютина
Руководитель: Просекина Ирина Геннадьевна
Достижения: победа там, победа здесь

Игры порядка и беспорядка окружают нас повсюду. С начала 60-х годов придумали способ получать аморфные металлические сплавы, не имеющие целостной кристаллической структуры. Они могут не разрушаться в течение многих тысяч лет и обладают большим разнообразием магнитных, электрических и механических свойств. Однако обнаружить в богатстве сплавов на основе Fe, Co, Ni,Cr, Cu,Zn, Ga, Sr, Y, Cd, Ba, Li, Na, Mg, Sc, Ti и группы лантаноидов с добавками B, F, Si, K, Ge, Zr, Nb, Mo, Pb, Sn, Hf, Ta, W, Pd, Bi нужные свойства, задача много труднее, чем поиск «иголки в стогу сена».

Целью данной работы являлось изучение общих закономерностей кристаллизации и структурных превращений аморфных и кристаллических областей в лентах состава Fe₆₇Co₁₀Cr₃B₁₅Si₅.

В ходе исследования были использованы сканирующий зондовый микроскоп NanoEducator и установка для измерения динамических магнитных петель гистерезиса, с помощью которых удалось сделать выводы об изменениях в свойствах и структурах лент, прошедших различную термическую, химическую обработку и дополнительно закристаллизованных в постоянном магнитном поле.

Удалось увидеть, что все термообработки влияют на области кристалличности и размеры аморфных областей. Однако, дополнительная термообработка, включение магнитного поля, травление – всё позволяет влиять на структуру материала очень сильно, создавать большую или меньшую упорядоченность, различающуюся не только по размерам образований, но и по форме. Мы исследовали 11 различных образцов, для каждого получили 2-3 изображения поверхности с помощью атомно-силовой микроскопии, сопоставили изменения в структуре и вид обработки. При травлении раствором медного купороса мы наблюдали, что аморфные области разрушаются первыми. Связь железа в кристаллитах и в аморфном состоянии различаются во много раз, поэтому рельеф более ярко выражен, появились большие углубления и явно очерченные области кристалличности. Изменения в кристаллических областях напрямую влияют на механические, электрические и магнитные свойства. Данные ленты являются магнито-мягкими ферромагнетиками, что видно из петель гистерезиса, которые мы получили. Поэтому, кроме того, что мы больше узнали об организации атомов в разных областях, это еще и способ изменения свойств всего материала.

В наших сплавах удачно сочетаются упругие, электрические и магнитные свойства. Упругость этих материалов растет линейно, предел прочности возрастает в 2–2,5 раза, удельное сопротивление в 4–5 раз становится выше, чем у поликристаллических образцов. Это можно объяснить тем, что возникающие кристаллиты, во-первых, уменьшают напряженность материала и, во-вторых, мешают свободному распространению трещин до тех пор, пока не станут слишком велики. При правильном сочетании кристалличности и аморфности в структуре образца можно подобрать нужные для различных технологических применений значения. Такие ленты можно спокойно гнуть, тянуть и наматывать. Одним из возможных применений могут быть нагревательные системы, поскольку материалы имеют высокое сопротивление, что приводит к тому, что при пропускании через них электрического тока, они выделяют тепло в большом количестве. Их компактность, долговечность и уже налаженное промышленное производство могут позволить сделать их применение массовым и в то же время незаметным, так можно сделать обогрев трубопроводов, теплых полов, и емкостей любой геометрической формы. Если научиться получать магнитные ленты с наиболее высоким сопротивлением, то это позволит обогревать те же пространства, но при меньших количествах материала и затратах энергии. Таким образом при некотором увеличении затрат на изготовление, мы получаем экономию за счет улучшения его свойств.
Детальное исследование структуры поверхности аморфных металлических лент состава Fe₆₇Co₁₀Cr₃B₁₅Si₅ позволило более ясно представить себе картину кристаллизации сложных сплавов и всю силу стремления к порядку в природе.