Інтерметаліди та матеріали на їхній основі

ІНТЕРМЕТАЛІ́ДИ ТА МАТЕРІА́ЛИ НА Ї́ХНІЙ ОСНО́ВІ Інтерметаліди (І.) – хім. з’єднання двох або декількох металів у певних кількіс. (стехіометрич.) співвідношеннях (напр., NiTi, Ti₃Al, Cu₂MnAl). Утворюються внаслідок взаємодії компонентів при сплавленні, конденсації з парової фази, а також при перетвореннях у твердому стані. Лише в подвій. системах синтезовано майже 7 тис., а загалом – до 14 тис. І. Вони займають проміжне становище між металами та кераміками (як за типом хім. зв’язку, так і за властивостями). Зв’язок переважно металевий. Існують також І. з проміж. характером зв’язку – іонно-металевим і ковалентно-металевим. Завдяки певній, хоча й обмеженій, пластичності І., порівняно з кераміками, легше обробляти. На відміну від звичай. металів, мають кращу високотемпературну міцність, добрі антикороз. та антифрикц. властивості. І. є однією з важливих структур. складових низки металевих сплавів, яка істотно впливає на їхні експлуатац. характеристики. Крім того, вони мають самостійне значення як основа матеріалів із особливими фіз. властивостями. І. – клас матеріалів, використання яких безперервно розширюється у різних галузях техніки: жароміцні та жаростійкі матеріали, захисні покриття; напівпровідник. з’єднання для електрон. техніки; тверді і надтверді матеріали для ріжучих та ін. інструментів; видатні магнітні матеріали (на основі з’єднань рідкісноземел. металів); надпровідні матеріали для кріоген. техніки; корозієстійкі матеріали; сплави з ефектом пам’яті форми та ін. Розрізняють І. двох типів – дальтоніди та бертоліди. Дальтоніди – фази на основі І. постій. (чіткого) хім. складу, що не мають області гомогенності, яким на залежностях склад–властивість відповідає особлива (сингулярна) точка, положення якої не залежить від температури вимірювання властивості. Бертоліди – фази на основі І. змін. складу, у яких на залежностях склад–властивість немає сингуляр. точок. На діаграмах склад–властивість бертолід. фаз можуть спостерігатися максимуми або мінімуми властивостей, однак вони не мають сингуляр. характеру, а їхнє положення залежить від температури та тиску. На відміну від твердих розчинів, І. притаманне впорядковане розташування атомів різного сорту вузлами кристаліч. ґратки. Таке розташування суттєво підвищує спротив пластич. деформуванню (міцність, твердість) та, відповідно, знижує пластичність. При пластич. деформації ковзанням рух дислокацій спричиняє порушення впорядкування та виникнення специф. дефектів – антифаз. границь з підвищеною енергією. Це призводить до необхідності відновлення порядку шляхом переміщення наступ. дислокації. Таку конфігурацію (дві звичайні дислокації, що з’єднані стрічкою антифаз. границь) називають наддислокацією. У деяких І. наддислокації можуть складатися із більшої кількості звичай. дислокацій. Низка І. (Ni₃Al, Ti₃Al, TiAl та ін.) відзначається аномал. температур. залежністю напруження плинності. На відміну від більшості матеріалів, зокрема металевих, у них із підвищенням температури зростає межа текучості. Саме тому І. використовують для виготовлення жароміц. матеріалів для авіац. і ракет. двигунів, енергетики. Створ. низку жароміц. суперсплавів на основі легованого Ni₃Al, у яких γ`-фаза є гол. структур. складовою. Вони є незамін. матеріалами для лопаток газотурбін. двигунів. Остан. часом значну увагу приділяють матеріалам на основі алюмінідів титану TiAl і Ti₃Al, завдяки низькій питомій вазі яких вдається досягти значного зниження маси деталей. Ефективно зміцнюють сплави І. з пересичених твердих розчинів при терміч. обробленні. Серед найпоширеніших зміцнюючих фаз – Al₃Li, Al₃Sc. І. є структур. складовою багатьох композиц. матеріалів, зокрема й т. зв. природ. композитів, у яких зміцнюючі інтерметалідні фази утворюються під час евтектич. кристалізації. Деякі І. (напр., Cu₂MnAl) є феромагнетиками, хоча жоден з компонентів, що їх складають, не є феромагнетиком. Магнітні властивості І. на основі з’єднань рідкісноземел. металів значно перевищують властивості магнітів на основі заліза та нікелю. До таких І. належать з’єднання зі спіл. структур. формулою: R₂Co₁₇, RСo₅, R₂Co₇, де R – рідкісноземел. метали (Ce, La, Sm, Y). Портативні постійні магніти з високою магніт. енергією отримано на основі І. SmCo₅. Нині вивчають властивості систем інтерметалід. з’єднань з високими висхід. магніт. властивостями, напр., SmCo₅–SmCu₅. І. мають практичне застосування й як надпровідні матеріали (V₃Si, Nb₃Ga, Nb₃Al, Nb₁₂Al₃Gа). Знач. досягненням у матеріалознавстві є відкриття у з’єднанні Nb3Ge критич. температури переходу до надпровід. стану T_k = 22,0 K (у рідкого водню Т = 20,4 К). Існує достатньо широкий спектр І. з надпруж. («гумоподіб.») поведінкою, ефектом пам’яті форми, високою демпфуючою здатністю. Осн. умова виникнення ефекту пам’яті форми – наявність низькотемператур. перетворення мартенсит. типу. Класич. приклад такого матеріалу – нікелід титану (TiNi). Науковці ведуть пошук матеріалів із високотемператур. ефектом пам’яті форми (система Ti–Ni–Zr–Cu). Ефект пам’яті форми використовують в І. на основі сплавів Гейслера у системах Ni–Mn–Ga (Ni₂MnGа), Cu–Mn–Al (Cu₂MnAl) при створенні приладів нового покоління для перетворення магніт. енергії в механічну. Остан. часом особливу увагу привертає новий клас І. – квазікристали. Їм притаман. особливий тип упорядкування атомів, що відзначається наявністю нехарактер. кристаліч. стану вісей симетрії, зокрема 5-го порядку, та відсутністю трансляцій. симетрії. Квазікристали в основному складаються із металевих елементів, проте їхні фіз. властивості суттєво відрізняються від властивостей металевих матеріалів. На відміну від металів, у них електрич. опір при низьких т-рах аномально високий і зменшується із підвищенням температури, а збільшується при відпалі дефектів, зростанні структур. порядку. Квазікристал AlCuFe має дуже високий опір (до 4,5 мОм-см), незважаючи на те, що складається з класич. провідників із дуже малим опором. У аморф. металевих сплавах опір від 70 до 300 мкОм-см. Матеріалознавцями розроблено методи отримання плівк., порошк. і масив. об’єктів з квазікристалів. Перші квазікристали отримано при нерівноваж. умовах швидкіс. охолодження. Відомі системи (напр., Al–Cu–Li, Al–Li–Cu–Mn та ін.), у яких квазікристали існують до т-р плавлення та можуть бути вирощеними за рівноваж. умов. Як і ін. І., квазікристали використовують як зміцнюючі фази, зокрема у сплавах алюмінію. Плівки та порошки квазікристалів застосовують для нанесення покриттів, як складові композитів для виробів із підвищеними мех., оптич., трибологіч., антикорозій. та ін. властивостями. Деякі І. утворюють тверді гідриди та відповідно акумулюють водень. Серед гідридів І. найзастосованішими є з’єднання на основі Ti, Fe, Mg, Ni, La і V. Вони акумулюють до 400 см³ Н₂ на 1 г гідриду, виділяють водень при відносно низьких т-рах (150–200 °С). Для зберігання та використання гідридів виготовляють спец. ємності. Їх застосовують у водневій енергетиці, у автотранспорті. Вчені провадять дослідж. щодо використання для акумулювання водню квазікристалів. На І. можливе створення т. зв. об’ємноаморфіз. станів із подальшим отриманням об’єм. наноструктур при терміч. обробленні.

Літ.: Интерметаллические соединения / Пер. с англ. Москва, 1970; Корнилов И. И. Физико-химическое исследование взаимодействия между металлами // Строение, свойства и применение металлидов: Сб. науч. ст. Москва, 1974; Корнилов И. И., Белоусов О. К., Качур Е. В. Никелид титана и другие сплавы с эффектом «памяти». Москва, 1977; Гринберг Б. А., Сюткина В. И. Новые методы упрочнения упорядоченных сплавов. Москва, 1985; Гринберг Б. А., Иванов М. А. Интерметаллиды Ni3Al и TiAl: микроструктура, деформационное поведение. Екатеринбург, 2002; Колачев Б. А., Елагин В. И., Ливанов В. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учеб. 4-е изд. Москва, 2005; Тарасов Б. П., Лотоцкий М. В., Яртысь В. А. Проблема хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода // Рос. хим. журн. 2006. Т. 50, № 6.

С. О. Фірстов

Рекомендована література

Интерметаллические соединения / Пер. с англ. Москва, 1970;
Корнилов И. И. Физико-химическое исследование взаимодействия между металлами // Строение, свойства и применение металлидов: Сб. науч. ст. Москва, 1974;
Корнилов И. И., Белоусов О. К., Качур Е. В. Никелид титана и другие сплавы с эффектом «памяти». Москва, 1977;
Гринберг Б. А., Сюткина В. И. Новые методы упрочнения упорядоченных сплавов. Москва, 1985;
Гринберг Б. А., Иванов М. А. Интерметаллиды Ni3Al и TiAl: микроструктура, деформационное поведение. Екатеринбург, 2002;
Колачев Б. А., Елагин В. И., Ливанов В. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учеб. 4-е изд. Москва, 2005;
Тарасов Б. П., Лотоцкий М. В., Яртысь В. А. Проблема хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода // Рос. хим. журн. 2006. Т. 50, № 6.