Матеріали квазікристалічні

Визначення і загальна характеристика

МАТЕРІА́ЛИ КВАЗІКРИ­СТАЛÍЧНІ — тверді тіла, пере­важно інтерметалідні фази, для яких характерне чітко впорядковане пакува­н­ня атомів і далекий орієнтаційний порядок, але від­сутня періодичність у роз­ташуван­ні атомів. Ін. назва — квазікри­стали (КК). На від­міну від кри­сталів, КК властива ротац. симетрія 5-го, 8-го, 10-го або 12-го порядків. Їх від­крив 1982 ізраїл. учений Д. Шехтман (2011 отримав Нобелів. премію з хімії) під час ви­вче­н­ня сплаву Al0,86Mn0,14, який одержу­ва­ли після швидкого загартува­н­ня з рідкого стану (швидк. охолодже­н­ня з роз­плаву бл. 1 млн °С/сек.). Зразок сплаву роз­сіював пучок електронів і рентґенів. промені, утворюючи чітку ди­фракц. картину, при цьому вона мала точк. симетрію 5-го порядку. Фігури травле­н­ня на поверх­ні також мали симетрію 5-го порядку. Опублікувати отримані результати Д. Шехт­ману вдалося лише після 2-річ. спіл. дослідж. із Дж. Каном, І. Блехом і Д. Ґратіасом. За пропозицією Дж. Кана, КК спочатку називали шехтманітами. Пізніше встановлено, що хоча в нових матеріалах немає періодичності в роз­ташуван­ні атомів, у матем. сенсі там є квазіперіодичність. Структура більшості кри­сталів ґрунтується на таких простих геом. фігурах, як куб, тетраедр і октаедр, структура КК — пере­важно на ікосаедрі (багато­гран­ник, що має 20 граней, кожна з яких є правил. трикутником). У тривимір. просторі 4 атоми, якщо їх зобразити у ви­гляді сфер, щільно пакуються в тетраедр. Із не­знач. спотворе­н­нями 20 тетраедрів повністю пакуються в ікосаедр, що складається з 13-ти атомів, один з яких роз­таш. у центрі, а 12 — на поверх­ні. Однак ікосаедр має осі 5-го порядку, під час заповнен­ня ними простору виникає не­­узгодженість. Власне й сам ікосаедр недосконалий, оскільки між 12-ма атомами (що від­ображуються як сфери) на поверх­ні є невеликі проміжки. Від­стань між атомами на поверх­ні при­близно на 5 % більша, ніж від­стань до центр. атома. Додава­н­ня нових атомів у ви­гляді атом. шару поверх ікосаедра лише збільшує таку не­узгодженість. Тому КК, за­звичай, утворюються ікосаедр. кластерами, між якими роз­ташовуються «склеювал.» атоми, що можуть мати ін. роз­мір, це зменшує або компенсує не­узгодженість.

У 1970-х рр. британ. учений Р. Пенроуз від­крив матем. можливість заповне­н­ня простору кількома простими комірками з утворе­н­ням неперіодич. структури. Т. зв. мозаїку, або паркет Пенроуза почали використовувати для опису й квазікри­сталіч. структури. За її допомогою можна щільно замостити плоску поверх­ню атом. структурою, в якій є дальній орієнтац. порядок і симетрія 5-го порядку, але немає транс­ляц. симетрії. Якщо вузл. точки мозаїки замінити атомами, то вона стає аналогом двовимір. КК. Р. Пенроуз вина­йшов мозаїку, що утворюється всього двома ромбами. Внутр. кути одного ромба дорівнюють 36 і 144° («тонкий» ромб), а другого — 72 і 108° («товстий» ромб). Ромби збирають разом за певними правилами. У мозаїці Пенроуза від­ноше­н­ня числа «товстих» ромбів до числа «тонких» дорівнює значен­ню т. зв. золотого пере­тину:

Оскільки це число ір­раціональне, то в мозаїці Пенроуза не можна виділити елементарну комірку, яка містила б ціле число ромбів кожного виду і забезпечувала б формува­н­ня всієї ґратки.

Існує ін., проекційний, спосіб одержа­н­ня квазікри­сталіч. структур. Доведено, що в 6-вимір. просторі КК мають періодичну структуру куба. Тому усі роз­рахунки проводять у 6-вимір. ґратці, а потім отримані результати проектують у 3-вимір. про­стір.

Роз­різняють мета­стабіл. і стабіл. КК. Більшість КК мета­стабільні (ві­домо понад 200), їх можна одержати лише під час швидкого охолодже­н­ня роз­плаву (хоча критична швидкість охолодже­н­ня, за­звичай, нижча, ніж для отрима­н­ня аморф. станів). Стабіл. КК виявлені в системах Al–Fe–Cu, Al–Cu–Li, Al–Cu–Mg, Al–Pd–Mn та ін. і можуть бути отримані у ви­гляді моноквазікри­сталів. КК на основі Al найбільш ви­вчені, однак існують також КК на основі V, Nb, Mn, Zn, Ti, Zr,Mg та ін. металів.

Осн. властивості КК: низька щільність; висока твердість, що зберігається за під­вищених т-р; високий модуль Юнґа; низька тепло­провід­ність (на рівні оксид. кераміки); висока короз. стійкість; низька поверхн. енергія; низький коефіцієнт тертя; коефіцієнт терміч. роз­шире­н­ня бли-зький за значе­н­ням до коефіцієнта терміч. роз­шире­н­ня металів; широкий діапазон електроопору ρ і типу залежності ρ(Т), зокрема й матеріалів з низькою електро­провід­ністю на рівні напів­провід­ників. За­стосува­н­ня КК як кон­струкц. матеріалу без вʼяз-кої звʼязки обмежене через їхню крихкість, проте як покри­т­тя широко­вживані й мають значні пер­спективи.

Найбільше КК за­стосовують як засоби для акумулюва­н­ня водню, термічні барʼєри (авіац. турбіни та турбіни електрогенераторів, дизелі тощо), селект. по­глиначі світла, не­пригоряючі покри­т­тя для хім. реакторів, кухон. посуду, покри­т­тя для інструментів, каталізатори у хім. реакціях, дис­персійно-зміцнюючі частинки в алюм. сплавах і сталях.

Нині від­кри­т­тя КК, поряд з аморф. метал. сплавами, високотемператур. над­провід­никами та нанокри­сталіч. матеріалами, роз­глядають як найви­значніше досягне­н­ня матеріало­знавства 20 ст. Своїми працями Д. Шехтман і його колеги ініціювали інтенсивні світ. теор. й екс­перим. ви­вче­н­ня КК, зокрема й в Україні. Знач. обсяг дослідж. здійснено у НАНУ — в Ін­ститутах про­блем матеріало­­знав­ства, металофізики, електрозварюва­н­ня (усі — Київ) та Харків. фіз.-тех. ін­ституті. Укр. учені отримали нові дані про механізм деформації КК і вперше виявили криві деформації цих кри­сталів при кімнат. т-рі; роз­винули наук. уявле­н­ня та здобули екс­перим. дані про мех. властивості наноквазікри­сталів; створили технологію одержа­н­ня наноквазікри­сталів; роз­робили нові високоміцні алюм. сплави, зміцнені нанодис­перс. частинками КК, для під­вищених т-р; ви­вчили особливості дифузії в КК; створили метод отрима­н­ня зміцнених КК частками поверхн. шарів у металах (унаслідок ультра­­звук. удар. обробле­н­ня); роз­робили склади квазікри­сталіч. покрит­тів і технології їхнього нанесе­н­ня газотерміч. методами та методом швидкіс. електрон­но-променевого випаровува­н­ня; за­пропонували технологію отрима­н­ня КК на основі титану та дослідили їхні фіз.-мех. властивості.

Літ.: D. Shechtman, I. Blech, D. Gratias, J. W. Cahn. Metallic phase with long-range orientational order and no translational symmetry // Phys. Rev. Lett. 1984. Vol. 53; E. Hornbogen, M. Schandl. Probing me­chanical properties of quasicrystalline aluminium alloys // Zeitschrift für metall-kunde. 1992. Vol. 83; J.-M. Dubois, A. Pro-ner, B. Bucaille et al. Quasicrystalline coatings with reduced adhesion for cookware // Annales de chimie. France. 1994. Vol. 19; Yu. V. Milman, A. I. Sirko, M. O. Iefimov, O. D. Neikov, A. O. Sharovsky, N. P. Zakharova. High strength aluminum alloys reinforced by nanosize quasicrysta-lline particles for elevated temperature application // High Temperature Materials and Processes. 2006. Vol. 25, № 1–2; Yu. V. Milman, D. V. Lotsko, S. N. Dub, A. I. Ustinov, S. S. Polishchuk, S. V. Ulshin. Mechanical properties of quasicrystalline Al–Cu–Fe coatings with submicron-sized grains // Surface & coatings technology. 2007. Vol. 201; Мільман Ю. В., Єфімов М. О. Квазікри­стали — нова атомна структура твердого тіла і матеріали з комплексом не­звичайних властивостей // Вісн. НАНУ. 2012. № 1.

Ю. В. Мільман, М. О. Єфімов

Завантажити статтю