Существует множество аморфных тел. У аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы - соседи располагаются в некотором порядке. Но строгой направленности по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов в аморфных телах, нет.
Часто одно и то же вещество может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц SiO2, может быть как в кристаллической, так и в аморфной форме. Аморфная структура кварца также имеет вид решётки, но неправильной формы. Наряду с шестиугольниками в ней встречаются пяти и семиугольники.
В 1959 г. английский физик Д. Бернал провёл интересные опыты: он взял много маленьких пластилиновых шариков одинакового размера, обвалял их в меловой пудре и спрессовал в большой ком. В результате шарики деформировались в многогранники. Оказалось, что при этом образовывались преимущественно пятиугольные грани, а многогранники в среднем имели 13,3 грани. Так что какой-то порядок в аморфных веществах есть.
К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны, то есть их механические, оптические, электрические и другие свойства не зависят от направления. У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Физическая модель аморфного состояния до сих пор не создана.
Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твёрдыми телами и жидкостями. Их атомы или молекулы располагаются в относительном порядке. Понимание структуры кристаллических и аморфных тел позволяет создавать материалы с заданными свойствами.
При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твёрдым телам, и текучесть, подобно жидкости. Так, при кратковременных воздействиях они ведут себя как твёрдые тела и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут.
Аморфные тела при низких температурах по своим свойствам напоминают твёрдые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства всё более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения в другое. Определённой температуры тел у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет.
При охлаждении жидкого вещества не всегда происходит его кристаллизация. При определенных условиях может образоваться неравновесное твердое аморфное (стеклообразное) состояние. В стеклообразном состоянии могут находиться простые вещества (углерод, фосфор мышьяк, сера, селен), оксиды (например, бора, кремния, фосфора), галогениды, халькогениды, многие органические полимеры. В этом состоянии вещество может быть устойчиво в течение длительного промежутка времени, например, возраст некоторых вулканических стекол исчисляется миллионами лет. Физические и химические свойства вещества в стеклообразном аморфном состоянии могут существенно отличаться от свойств кристаллического вещества. Например, стеклообразный диоксид германия химически более активен, чем кристаллический. Различия в свойствах жидкого и твердого аморфного состояния определятся характером теплового движения частиц: в аморфном состоянии частицы способны лишь к колебательным и вращательным движениям, но не могут перемещаться в толще вещества.
Под действием механических нагрузок или при изменении температуры аморфные тела могут закристаллизоваться. Реакционная способность веществ в аморфном состоянии значительно выше, чем в кристаллическом. Главный признак аморфного (от греческого "аморфос" - бесформенный) состояние вещества - отсутствие атомной или молекулярной решетки, то есть трехмерной периодичности структуры, характерной для кристаллического состояния.
Существуют вещества, которые в твердом виде могут находиться только в аморфном состоянии. Это относится к полимерам с нерегулярной последовательностью звеньев.
Первая особенность механических свойств аморфных сплавов, которую следует отметить, -- это их очень высокая прочность.
Довольно неожиданным свойством аморфных сплавов является их способность к пластическому течению. В кристаллах, как известно, пластическое поведение обеспечивается движением дислокаций. Но в теле без трансляционной симметрии дислокации в классическом понимании невозможны, и следовало бы ожидать, что аморфные вещества будут абсолютно хрупкими. Неорганические стёкла ведут себя именно так, однако в аморфных металлах пластическая деформация всё-таки происходит.
Способность к деформации связана, как и для кристаллов, с коллективизированным ненаправленным характером металлической связи. При этом удаётся реализовать ту высокую прочность, которая заложена в аморфных телах при условии подавления хрупкого разрушения при напряжениях меньше предела текучести. Пластическая деформация аморфных сплавов может быть гомогенной, когда деформируется каждый элемент объёма и образец испытывает однородную деформацию, и негомогенной, когда пластическое течение локализуется в тонких полосах сдвига.
Гомогенная деформация происходит при высоких температурах (близких к температуре кристаллизации) и низких напряжениях (0,01Gф<, где G -- модуль сдвига). При этом скорость деформации пропорциональна приложенному напряжению. Вязкость з по мере развития деформации непрерывно растёт, и с повышением температуры этот рост ускоряется по аррениусовскому закону. Степень пластической деформации при гомогенном течении практически неограничена, и при правильно подобранных условиях можно добиться эффекта сверхпластичности с деформацией в сотни процентов. По-видимому, гомогенная деформация происходит за счёт непрерывной релаксации структуры, хотя она может протекать и после предварительного отжига при более высокой температуре.
В результате после гомогенной деформации сплавы обычно резко охрупчиваются. Негомогенное пластическое течение происходит при низких температурах и высоких напряжениях. Оно мало чувствительно к скорости нагружения и практически не сопровождается деформационным упрочнением. В отличие от гомогенной деформации, негомогенная вызывает уменьшение степени порядка в аморфной структуре. При негомогенной деформации течение сосредоточено в полосах сдвига, число которых определяет пластичность сплава. Пластичность сильно меняется в зависимости от схемы нагружения. При растяжении она обычно невелика -- разрушение происходит после деформации в 1…2 %, в то время как при прокатке можно достигнуть деформаций в 50…60 %, а при изгибе радиус может быть сопоставим с толщиной ленты (30…40 мкм).
Разрушение аморфных сплавов, как и обычных кристаллических, может быть хрупким и вязким. Хрупкое разрушение происходит сколом без внешних следов макроскопического течения и по плоскостям, перпендикулярным оси растяжения. Вязкое разрушение происходит после или одновременно с пластической деформацией. Оно развивается по плоскостям, где действуют максимальные касательные напряжения. Характерной особенностью вязкого разрушения аморфных сплавов является наличие на поверхности разрушения двух зон: почти гладких участков скола и участков, в которых наблюдается система переплетающихся "вен" -- следов выхода областей сильно локализованного пластического течения толщиной ~0,1 мкм.
В первую очередь следует остановиться на магнитных свойствах аморфных сплавов. В аморфном состоянии, несмотря на неупорядоченное расположение атомов, может возникать упорядоченное расположение магнитных моментов. Поэтому многие аморфные сплавы на основе железа, кобальта, никеля, а также некоторых редкоземельных металлов ферромагнитны. Их поведение качественно похоже на поведение кристаллических ферромагнетиков: в них возникают магнитные домены, при перемагничивании имеется петля гистерезиса, существует точка Кюри, выше которой спонтанная намагниченность исчезает, и т.д. В аморфных сплавах отсутствуют такие барьеры для движения доменных стенок при перемагничивании, как дислокации или границы зёрен, однако в роли барьеров могут выступать локальные неоднородности, магнитострикция от внутренних напряжений и т.п. Отжиг ниже температуры кристаллизации, приводящий к релаксации аморфной структуры и уменьшению внутренних напряжений, обычно уменьшает коэрцитивную силу. Однако в некоторых случаях он, наоборот, может привести к расширению петли гистерезиса из-за стабилизации границ доменов.
Электрическое сопротивление аморфных сплавов существенно выше, чем кристаллических, из-за отсутствия дальнего порядка. Кроме того, их электросопротивление слабо меняется с температурой. Существуют и аморфные сверхпроводники.
Сверхвысокие скорости охлаждения жидкого металла для получения аморфной структуры можно реализовать различными способами. Общим в них является необходимость обеспечения скорости охлаждения не ниже 106 град/с. Известны методы катапультирования капли на холодную пластину, распыление струи газом или жидкостью, центрифугирование капли или струи, расплавление тонкой пленки поверхности металла лазером с быстрым отводом тепла массой основного металла, сверхбыстрое охлаждение из газовой среды и др. Использование этих методов позволяет получать ленту различной ширины и толщины, проволоку и порошки.
Наиболее эффективными способами промышленного производства аморфной ленты являются охлаждение струи жидкого металла на внешней (закалка на диске) или внутренней (центробежная закалка) поверхностях вращающихся барабанов или прокатку расплава между холодными валками, изготовленными из материалов с высокой теплопроводностью.
Расплав, полученный в индукционной печи, выдавливается нейтральным газом из сопла и затвердевает при соприкосновении с поверхностью вращающегося охлаждаемого тела (холодильника). Различие состоит в том, что в методах центробежной закалки и закалки на диске расплав охлаждается только с одной стороны.
Основной проблемой является получение достаточной степени чистоты внешней поверхности, которая не соприкасается с холодильником. Метод прокатки расплава позволяет получить хорошее качество обеих поверхностей ленты, что особенно важно для аморфных лент, используемых для головок магнитной записи. Для каждого метода имеются свои ограничения по размерам лент, поскольку есть различия и в протекании процесса затвердевания, и в аппаратурном оформлении методов. Если при центробежной закалке ширина ленты составляет до 5 мм, то прокаткой получают ленты шириной 10 мм и более.
Метод закалки на диске, для которого требуется более простая аппаратура, позволяет в широких пределах изменять ширину ленты в зависимости от размеров плавильных тиглей. Данный метод позволяет изготавливать как узкие ленты шириной 0,1-0,2 мм, так и широкие -- до 100 мм, причем точность поддержания ширины может быть ± 3 мкм. Разрабатываются установки с максимальной вместимостью тигля до 50 кг. Во всех установках для закалки из жидкого состояния металл быстро затвердевает, растекаясь тонким слоем по поверхности вращающегося холодильника. При постоянстве состава сплава скорость охлаждения зависит от толщины расплава и характеристик холодильника. Толщина расплава на холодильнике определяется скоростью его вращения и скоростью истечения расплава, т. е. зависит от диаметра сопла и давления газа на расплав. Большое значение имеет правильный выбор угла подачи расплава на диск, позволяющий увеличить длительность контакта металла с холодильником. Скорость охлаждения зависит также от свойств самого расплава: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности.
Для получения тонкой аморфной проволоки используют разные методы вытягивания волокон из расплава.
В первом методе расплавленный металл протягивается в трубке круглого сечения через водный раствор солей.
Во втором - струя расплавленного металла падает в жидкость, удерживаемую центробежной силой на внутренней поверхности вращающегося барабана: затвердевшая нить сматывается затем из вращающейся жидкости. Известен метод, состоящий в получении аморфной проволоки путем максимально быстрого вытягивания расплава в стеклянном капилляре (рис.2, в).
Этот метод также называют методом Тейлора. Волокно получается при протягивании расплава одновременно со стеклянной трубкой, при этом диаметр волокна составляет 2-5 мкм. Главная трудность здесь состоит в отделении волокна от покрывающего его стекла, что, естественно, ограничивает составы сплавов, аморфизируемых данным методом.
Аморфные вещества прочно укоренились в нашей жизни. Они используются везде. Использование аморфных веществ наиболее активно осуществляется в области медицины. Например, быстро охлажденный металл активно используется в хирургии. Благодаря событиям, связанным с этим, многие люди получили возможность самостоятельно передвигаться после тяжелых травм. Вещество аморфной структуры является отличным биоматериалом для имплантации в кости. Полученные специальные винты, пластины, штифты вставляются в случае серьезных переломов. Ранее в хирургии для таких целей использовались только сталь и титан. Позже было замечено, что аморфные вещества очень медленно разлагаются в организме, и это свойство позволяет восстановить костную ткань (вещество заменяется костью).
Точная механика основана именно на точности. Особенно важную роль в этой отрасли и в метрологии играют ультраточные индикаторы измерительных приборов, которые могут быть достигнуты при использовании аморфных тел в приборах. Благодаря точным измерениям в институтах в области механики и физики проводятся лабораторные и научные исследования, получают новые лекарства и улучшают научные знания.
Другим примером использования аморфных веществ являются полимеры. Постепенный нагрев помогает полимерам начать переходить в состояние повышенной упругости.
Аморфные вещества интенсивно используются в промышленности. Сверхупругое состояние позволяет полимерам деформироваться так, как им нравится, но это состояние достигается благодаря повышенной гибкости звеньев и молекул. Дальнейшее повышение температуры приводит к тому, что полимер приобретает еще более упругие свойства. Он начинает переходить в особое жидкое состояние.
Если вы оставите ситуацию без контроля полимер подвергнется разрушению. Вязкое состояние указывает на то, что все макромолекулярные единицы очень подвижны. Когда молекула полимера течет, единицы не только распрямляются, но и очень близко подходят друг к другу. Межмолекулярное воздействие превращает полимер в твердое вещество (каучук). Такой процесс называется механическим стеклованием. Полученное вещество используется для производства пленок и волокон.
На основе полимеров, полиамидов могут быть получены полиакрилонитрилы. Чтобы сделать полимерную пленку, нужно протолкнуть полимеры через фильеры, которые имеют щелевидное отверстие, и нанести на ленту. Таким образом, изготавливаются упаковочные материалы и ленточные основы. Полимеры также включают различные лаки (образующие пену в органическом растворителе), клеи и другие связующие материалы, композиты (полимерная основа с наполнителем) и пластмассы.
Электроизоляционный материал - поливинилхлорид, или всем известные пластиковые окна из ПВХ. Он устойчив к пожарам, так как считается трудногорючим, обладает повышенной механической прочностью и электроизоляционными свойствами.
Полиамид - вещество с очень высокой прочностью, износостойкостью. Характеризуется высокими диэлектрическими характеристиками.
Оргстекло или полиметилметакрилат мы можем использовать в области электротехники или в качестве материала для конструкций.
Фторопласт, или политетрафторэтилен, является известным диэлектриком, который не проявляет растворяющих свойств в растворителях органического происхождения. Широкий температурный диапазон и хорошие диэлектрические свойства позволяют использовать его в качестве гидрофобного или антифрикционного материала.
Полистирол- материал не подверженный воздействию кислот. Его, как и фторопласт и полиамид, можно считать изолятором. Очень прочный в отношении механических нагрузок. Полистирол используется везде. Например, он хорошо зарекомендовал себя как конструкционный и электроизоляционный материал. Используется в электротехнике и радиотехнике.
Вероятно, самым известным полимером для нас является полиэтилен. Материал устойчив к воздействию агрессивных сред, абсолютно не пропускает влагу. Если упаковка изготовлена из полиэтилена, вы можете не бояться, что ее содержимое испортится под воздействием сильного дождя. Полиэтилен также является диэлектриком. Его применение очень обширно. Из него изготавливаются трубные конструкции, различные электротехнические изделия, изоляционная пленка, оболочки для телефонных и силовых кабелей, детали для радио и другого оборудования.
Полихлорвинил является высокополимерным веществом. Он синтетический и термопластичный. Имеет структуру асимметричных молекул. Почти не пропускает воду и производится прессованием штамповкой и формовкой. Поливинилхлорид чаще всего используется в электротехнической промышленности. На его основе созданы различные теплоизоляционные шланги и шланги для химической защиты, аккумуляторные батареи, изоляционные гильзы и прокладки, провода и кабели. Поливинилхлорид также является отличным заменителем вредного свинца. Его нельзя использовать в качестве высокочастотных цепей в виде диэлектрика. И все благодаря тому, что в этом случае показатели диэлектрических потерь будут высокими. Обладает высокой проводимостью.
Такие промышленные материалы, как керамогранит, керамическая плитка, каменное литье и керамика, являются аморфно-кристаллическими веществами, поскольку содержат в своем составе стекловидные фазы и одновременно кристаллы. Следует отметить, что свойства материалов не зависят от содержания в нем стеклянных фаз.
Аморфные твердые вещества также могут быть кристаллическими. При такой структуре может наблюдаться пространственная периодичность в расположении частиц. Эти частицы в кристаллах могут совершать периодические движения. Во всех телах, которые мы наблюдаем в газообразном или жидком состоянии, можно заметить движение частиц в виде хаотического беспорядка.
Аморфные твердые вещества (например, металлы в конденсированном состоянии: эбонит, изделия из стекла, смолы) можно назвать замороженными жидкостями, потому что, когда они меняют форму, мы можем заметить такую характерную особенность, как вязкость.
