Csanády Andrásné Bodoky Ágnes BAY ZOLTÁN Anyagtudományi és Technológiai Intézet H-1116 Budapest, Fehérvári út 130.
Bevezetés A kvázikristályok (QC) felfedezését 1984-ben, 15 éve publikálták. (1, 2) A QC szokatlan szimmetria tulajdonságai ma is még élénken foglalkoztatják a kutatókat. A QC bár rendezett egységekből épülnek fel, azaz hosszú távú rendezettséget mutatnak, szerkezetük aperiodikus, azaz nélkülözik a transzlációs szimmetriát. A transzmissziós elektron mikroszkóp (TEM) nélkül lehetetlen lett volna az elsőként felfedezett kvázi-periódikus ikozaéderes fázist i-fázist megtalálni, hiszen egészen kicsi (néhány nanométeres) anyagtartományok szerkezete és összetétele csak ezzel az eszközzel vizsgálható. A QC fázisok különleges intermetallikus fázisok. Termodinamikai stabilitásukat a Hume-Rothery szabályok felhasználásával értelmezzük, ezúton azonban azt a kérdést, hogy milyen összetételu fázisokból keletkezhetnek QC nem tudjuk megválaszolni.(3) Újabban egy új elgondolás, a klaszter elmélet válik mind elfogadottabbá. Eszerint a QC esetében a méretek és összetételek összhangjának kialakításában az atomok szerepét atomokból felépült klaszterek vehetik át. (4) Ezek a klaszterek az atomokhoz hasonló stabil építőelemeket szolgáltathatnak. A QC-kel foglalkozó kutatók a legkülönbözőbb tudomány ágakhoz tartoznak. Az anyagtudománnyal foglalkozók számára a legfontosabb kutatási cél ezen korábban ismeretlen anyagállapot hasznosítása. A sikeres hasznosítás azonban nem csupán az adott anyag reprodukálható előállítási folyamatának kidolgozását és a szerkezet és összetétel meghatározását követeli meg. Nagyon fontos az adott anyag fizikai tulajdonságainak (keménységének, rugalmassági tulajdonságainak, elektromos és hővezető-képességének, optikai jellemzőinek stb.) továbbá az úgynevezett használati tulajdonságainak a megismerése is, mint például a kopásállóság vagy a korróziós tulajdonságok. A kvázi kristályok előállítása A QC-kel kapcsolatosan az elmúlt 15 évben több ezer elméleti és kísérleti tárgyú publikáció jelent meg. A kezdetben elsősorban az alumínium ötvözeteire korlátozódott anyagféleségek ma már az összetétel széles skálájára terjednek ki. A közlemények túlnyomó többsége a szerkezet meghatározás elméleti és kísérleti kérdéseivel foglalkozott. Nagyon sok írásban találkozunk a QC előállításának különböző technikáival. A QC előállításához szinte minden olyan technológiát alkalmaztak, amely üvegfémek és amorf anyagok előállításánál bevált: folyadékok gyors megszilárdításának különböző eljárásai, szilárd anyagok szimultán vákuumpárologtatása és porlasztása, szilárd anyagok egymást követő vákuumpárologtatása és porlasztása; különböző szilárd fázisú reakciók alkalmazása multirétgek párologtatása és hőkezelése útján, ionimplantáció, ionsugaras bombázás, vagy mechanikai ötvözés segítségével; vékony rétegek, felületek lézer- vagy elektronsugaras megolvasztásával, különböző módon zúzott vagy porított termékek plazmaszórásának útján. A stabil QC esetében az előállítás és az alkalmazás szempontjából igen fontos lehetősége: a különböző hagyományos öntési technológiák.
A kvázikristályok tulajdonságai A QC fizikai tulajdonságainak kutatása (5) főképpen akkor tudott kibontakozni, amikor már egyes ötvözetekből jóminőségu QC egykristály mintákat is elő tudtak állítani. A QC fontos vonása, hogy Fermi szintjükön álhiány (pszeudogap) található, ami a felületükön is megmutatkozik. (XPS, UPS) Elektromos ellenállásuk (r ) rendellenesen nagy és általában negatív a hőmérsékleti tényezőjük. Ugyanabban az ötvözetben r nagy mértében függ az ötvözet összetételétől. Egy adott ötvözet i-fázisának r -je jóval nagyobb, mint az amorf(a) változaté. r drasztikusan csökken a minta szerkezeti minőségének romlásával. A QC termikus diffúziós tényezője (a ) általában sokkal kisebb, mint a kristályos(k) alumínium ötvözötteké. E tényező hőmérsékletfüggése is éppen ellenkező fenti ötvözetekével. Ha megnöveljük a hőmérsékletet, akkor a QC ötvözetek a értékei megnőnek. Ezek az eredmények azt sugallják, hogy a QC-et feltehetően hőszigetelőkként alkalmazhatjuk. Nagyobb hőmérsékleteken egyes QC ötvözetek esetében szuperplasztikus viselkedést állapítottak meg. A mágneses tulajdonságok tekintetében ugyanazon ötvözetek QC változatai nem mutattak alapvető eltérést az (a) vagy (k) anyaghoz képest. Az optikai vezetőképesség maximumot mutat a közeli infravörös tartományban. Minden stabil és nagymértékben rendezett i-QC reflexiója 0.5 - 0.6 és lényegében hullámhossz független 20m m-300nm-ig. (6) Termodinamikailag stabil kvázikristályok tömbi anyagainak mechanikai vizsgálatai szerint a QC anyagok szokatlanul kemények (7), nem különlegesen ridegek, mechanikai tulajdonságaik általában a kristályos kerámiai anyagokhoz hasonlíthatók. Éppen a QC anyagok különleges szerzete folytán kitüntetett érdeklődés tapasztalható a QC deformációs mechanizmusa iránt. A QC-ben nagy feszültségek vannak, mivel a diszlokációk mozgása nagyon gátolt. Bizonyították a QC plasztikus deformálhatóságát.(8) Egyes különleges esetekben, nagy hőmérsékleteken a deformációs mechanizmus lényeges részét képezte az i-szemcsék és a feszültség következtében keletkezett kristályos megfelelőik fázisközi (interphase) csúszása. Kvázikristályok alkalmazása A QC alkalmazása akkor kezdett realitássá válni, amikor 1987-ben felfedezték a stabil Al-Cu-Fe kvázikristályokat (9), bár a metastabil fázisoknak is lehet néhány alkalmazási lehetősége. Kompozitok kvázikristályokkal Japán kutatók szobahőmérsékleten meglepően nagy szakítószilárdságot (960-1320 Mpa) és jó nyúlást észleltek i-fázissal keményített AlMn(4-6at%)Ce(1-3at%) ötvözetek esetében. A kedvező hatást az fcc Al -ba ágyazott 5-100 nm-es i-fázisoknak tulajdonították. Vastag kvázikristályos bevonatok Az elmúlt évtizedben az anyagtudományok egyik leggyorsabban fejlődő területe éppen a bevonatok területe. Kopás ellen és korrózió védelem céljából termikusan szórt Al-Cu-Fe ötvözetekkel vontak be lágy hordozókat. (11) Ezen bevonatok előnyös tulajdonságai részben a már korábban felsoroltakból következnek: nagy keménység (12), kis súrlódási együttható, kis hővezetőképesség, oxidációval és korrózióval szemben jó ellenállóképesség (13), tapadást gátló tulajdonság. Atomizált Al65Cu20Fe15 porokból plazma szórt rétegek sokkal egyenletesebb összetételűek, mint a zúzott tömbi anyag felszórásakor nyert megfelelőik. Száraz oxigén atmoszférában 500-700° C között ellenállnak az oxidációnak (14). Napfényt szelektíven abszorbeáló, ígéretes, vékony kvázikristályos rétegek (15) Jelenleg még gondot okoz a célra alkalmas nagyon vékony (8-15nm) rétegek előállítása. Egy nagyságrenddel vastagabb rétegek már előállíthatók. Különböző összetételu QC vékonyrétegek előállításához hazai kutatók is eredményes eljárásokat dolgoztak ki.(16) Napjainkban a QC kutatása már nem csupán egy érdekes tudományos kutatási terület, a QC gyártható anyagok, amelyeknek vannak már és küszöbön állnak különböző alkalmazásai. References
Copyright © 2000 |