Moderní materiály s aplikačním potenciálem Amorfní kovy Kompozity, FGM Ferrofluidy Molekulární magnety

Transkript

1 Moderní materiály s aplikačním potenciálem 7.5. Amorfní kovy Kompozity, FGM Ferrofluidy Molekulární magnety

2 Amorfní kovy kovová skla, kvazikrystaly Kovy vysoká rychlost krystalizace, hranice zrn vs. Skla pomalá rekrystalizace přechlazená kapalina, amorfní distribuce atomů, velmi křehké

3 Amorfní kovy kovová skla, kvazikrystaly Kovová skla amorfní slitiny kovů, vpodstatě přechlazené taveniny - rychlost chlazení až 10 6 K/s - atomy nemají dost energie nebo času k reorganizaci - kovový vzhled -Au 80 Si kovové sklo T t T G teplota

4 Amorfní kovy kovová skla, kvazikrystaly Vlastnosti Pevnost 2x větší než ocel Tvrdost Houževnatost lepší než keramiky Elasticita vyšší mez kluzu Absence hranic mezi zrny: Odolnost proti korozi a opotřebení Velmi měkké magnetické vlastnosti Vysoký elektrický odpor zanedbatelné vířivé proudy Snadná magnetizace-demagnetizace Nízká tepelná vodivost

5 Amorfní kovy kovová skla, kvazikrystaly

6 Amorfní kovy kovová skla, kvazikrystaly Objemové změny během superchalzení a krystalizace

7 Amorfní kovy kovová skla, kvazikrystaly Příprava Řídící faktor: CCT critical casting thicknes

8 Amorfní kovy kovová skla, kvazikrystaly Příprava Metody HVOF (high velocity oxygen fuel) thermal spraying Fe, Al, Ti ponorky, vrtné soupravy, trubky Melt-spinning - Metglas Fe-Ni-P-B nízkoztrátová jádra transformátorů analogicky splat-cooling Pro umožnění tvarování 3D objektů snaha o snížení chladících rychlostí a zvýšení CCT

9 Melt spinning

10 Amorfní kovy kovová skla, kvazikrystaly Kriteria pro tvorbu kovového skla Multikomponentí slitiny (3 a více) Čím větší a složitější elementární buňka, snížení preference tvořit uspořádání na dlouhou vzdálenost Velký rozdíl atomových poloměrů Větší než 12% - vyšší hustota uspořádání, pokles volného objemu v kapalné fázi, nárust krystalizačního objemu

11 Amorfní kovy kovová skla, kvazikrystaly Kriteria pro tvorbu kovového skla Záporné směšovací teplo mezi hlavními prvky Zvýšení energetické bariéry na rozhraní kapalina-pevná fáze, snížení difuzivity = nárust rovnovážné viskozity = snížení krystalizační rychlosti = rozšíření superpřechllazené oblasti Směs blízko k nízkoležícím eutektikům Stabilizace Pokles rychlosti krystalizace = stabilní objemové sklo

12 Amorfní kovy kovová skla, kvazikrystaly Příklady Pd-T-Si, T = Cu, Ag, Fe, Co, Ni La-Al-M, M = Ni, Cu Mg-Cu-Y Zr-Al-Ni-Cu-Be Vitreloy Vit1 1. komerční BMG: Zr 41.2 Ti 13.8 Cu 12.5 Ni 10.0 Be 22.5 Vit2, Vit105 Zr-Mg-Fe-Al-Pd-Hf-Nd

13 Amorfní kovy kovová skla, kvazikrystaly Materiály odvozené od Vit1 termosety, CCT až 10 cm, mikroskopicky přesné objekty nejsou nutné sekundární úpravy povrchů

14 Amorfní kovy aplikace Sportovní vybavení golf, baseball, tenis, lyže, snowboardy % energie přeneseno na míček

15 Amorfní kovy aplikace Obalová technika, povrchy - luxusní hodinky, lehké obaly elektroniky (mobily, notebooky) Medicína oční skalpely, implantáty, pouzdra kardiostimulátorů Vojenství projektily, bomby, letadla, ponorky

16 Amorfní kovy aplikace Solární vítr NASA 2001 vzorky solárního větru, vznášedlo Genesis 5 kolektorů, průměr 1 m v každém 55 šestiúhelníků, průměr 10 cm, Zr-Nb-Cu-Ni-Al Absorbce He a Ne Uvolnění He a Ne leptání povrchové vrstvy kovového skla Ionty s vyšší energií - hlouběji

17 Amorfní kovy pěny Analogie plastové pěny, velký povrch (80 % objemu jsou dutiny) open-cell vs. closed-cell Typicky na bázi Al Drahé speciální technologie v letectví, tepelné výměníky

18 Funkčně gradientní materiály (FGM) Skupina heterogenních multifázových systémů s konstituční gradací Složení a mikrostruktury v makroskopickém měřítku, tedy bez zřetelného rozhraní jako v tradičních materiálech...

19 Funkčně gradientní materiály (FGM) Aplikace Letectví, kosmonautika (T nad 1800 o C) Technické filtry Ložiska, složité součástky Součásti pro rychlé reaktory (s Na chladivem) Biokompatibilní materiály (Ti-hydroxyapatit) Příprava, výroba Prášková metalurgie lisování,slinování CVD, PVD, PS HIP - difuzní spojování při izostatickém lisování Galvanicky Dodatečné tepelné úpravy mikrostruktury

20 Kompozity Matrice vs. částice, vlákna Kov, keramika, uhlík, polymer Materiál ze dvou, nebo více substancí s rozdílnými vlastnostmi, které dohromady dávají výslednému výrobku nové vlastnosti, které nemá sama o sobě žádná z jeho součástí...

21 Kompozity Příklady, aplikace Železobeton, sklolaminát, asfalt Uhlíkové kompozity lehké části letadel, strojů, neprůstřelné vesty

22 Srovnání - Youngův modulus

23 Srovnání - Pevnost vs. náklady...

24 Ferrofluidy Magnetické nanočástice v surfaktantu magnetické kapaliny

25

26 Ferrofluidy Nanočástice cca 10 nm: magnetit, hematit 2-10 obj. % - nejsou ferromagnetické, ale superparamagnetické dodnes vpodstate neexistuje ferromagnetická kapalina: Albrecht et al, Appl. Phys. A 65, (1997) elektromagnetická levitace Surfaktant proti aglomeraci částic N(CH 4 ) 4 OH, kys. olejová, citronová, lecitin, mycely

27 Ferrofluidy Struktura: Ferromagnetické jádro + dipóly na povrchu Velikost částice: Fyzická (D p ) Magnetická (D m ) Hydrodynamická (D h ) většinou: D h > D p > D m Magnetické pole: Bernoulliho rce, p = B

28 Ferrofluidy Typy: Pravé ferrofluidy částice neaglomerují, kapalné i v magnetickém poli Magneto-rheologické ferrofluidy částice v řádu mikrometrů, tuhnou po aplikaci magnetického pole

29 Ferrofluidy Normální instabilita v magnetickém poli Špičky nad kritickou hodnotou mag. pole E P + E G < E M Energie povrchová, gravitační, magnetostatická, hustota Interakce, vliv magnetického pole: Brownův pohyb, van der Waals, elektrostatická - nárust viskozity s mag. polem

30 Ferrofluidy Nelineární optické efekty Du et al, Appl. Phys. Lett., Vol. 72, No. 3, 19, Vodivostní rovnice: dt/dt χδt= σi /ρc p absorbční koeficient σ = f(c) krátký čas dlouhý čas Transmise refrakční index -změna teploty = termální kroužky -změna koncentrace částic okolo optické osy změní pouze intenzitu v kroužcích ne počet - nárust s aplikací magnetického pole

31 Ferrofluidy Aplikace Kapalné stínění v rotační ose HD Odvod tepla (megafony) Navigační systémy Optická měření (dichroismus, Farradayova rotace) Krevní separace Nádorová analýza Elektromagnetické stínění Tlumiče...

32 Molekulární magnety První známý: [Mn 12 O 12 (O 2 CMe) 12 (H 2 O) 4 ] Struktura molekuly Mn 4+ ions (modrá) Mn 3+ ions (růž.) Magnetická struktura Spiny na Mn 4+ (S = 3/2) AF se spiny na Mn 3+ (S = 2) Spin ZS = 8 x 2 4 x 3/2 = 10 (Christou et al, J. Amer. Chem. Soc., 1993, 115, 1804)

33 Možná architektura: Molekulární magnety organické: polycarbeny, nitronylnitroxidové radikály T C ~ 1.4 K 1, 2 and 3D networky: multi-chelatující ligandy T C ~ 10 K Single molecular magnets: zcela izolované, tzv. N-mery klece, kola

34 Molekulární magnety Obří MM {Mn 84 } S = 6

35 Molekulární magnety velikost systému << char. interakční délka kvantový přístup dobře definovaný ZS a anizotropie Kvantové tunelování magnetizace QTM

36 Molekulární magnety Kvantové tunelování magnetizace termálně: relaxace časově a teplotně závislá Tunelování (QT): T~ 0K (0.36 K for {Fe 8 }) čistě QT mezi m = ± 10 ZS

37 Mezoskopické měření magnetizace Mikro-SQUID krystal ~ μm emu K < 1.4 T W. Wernsdorfer, 1996

38 Molekulární magnety giant spin model H = -DS z 2 + E(S x2 -S y2 ) + gμ B SH anisotropní konstatnty D/k B K, E/k B K Zeemanův člen Zeemanův diagram pro {Fe 8 } [21x21] Energy levels Level-crossing pro B ~ n x 0.22 T

39 Molekulární magnety giant spin model Barbara et al, Nature, 1996, 383, 145.

40 Molekulární magnety Landau-Zenner Neadiabatický přechod ve 2-hladinovém systému (Landau, Zener, Stueckelberger) A.-L. Barra et al., EPL (1996) Čím vyšší D a nižší sweep, tím vyšší tunelovací poměr!

41 Molekulární magnety Landau-Zenner Magnetického pole v okolí Δ -10,10-n : Rychlá relaxace do stavu m = čistě GS 2. s emisí fononu

42 Molekulární magnety Kvantová dynamika jednotlivého velkého spinu Pozorování tzv. Berryho fáze Kvantové tunelování magnetizace První krok k realizaci Rabiho oscilací (r.a. photonu v molekule V 15 ) První implementace Groverova algoritmu (teor.) Kvantové počítače MRAM