Vật liệu vô định hình là gì? Phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình

Thế nào là vật liệu vô định hình?

Vật liệu vô định hình là chất rắn không có trật tự xa (hay Cấu trúc tuần hoàn) về vị trí cấu trúc nguyên tử Hầu hết các nhóm vật liệu có thể thấy hoặc được cấu trúc từ dạng vô định hình.

Ví dụ thủy tinh là gốm vô định hình, nhiều polyme là vô định hình kim loại vô định hình cũng là một loại vật liệu vô định hình.

Mẫu vật liệu vô định hình

Cấu trúc vô định hình

Cấu trúc tinh thể là cấu trúc có tính trật tự xa, có nghĩa là tính chất sắp xếp tuần hoàn có mặt ở trong độ dài rất lớn so với hằng số mạng tinh thể. Cấu trúc vô định hình có nghĩa là bất trật tự, nhưng về mặt thực chất, nó vẫn mang tính trật tự nhưng trong phạm vi rất hẹp, gọi là trật tự gần.

Trạng thái vô định hình là trạng thái của vật liệu gồm những nguyên tử được sắp xếp một cách bất trật tự sao cho một nguyên tử có các nguyên tử bao bọc một cách ngẫu nhiên nhưng xếp chặt xung quanh nó.

Khi xét một nguyên tử làm gốc thì bên cạnh nó với khoảng cách d dọc theo một phương bất kỳ (d là bán kính nguyên tử) có thể tồn tại một nguyên tử khác nằm sát với nó, nhưng ở khoảng cách 2d, 3d, 4d... thì khả năng tồn tại của nguyên tử loại đó giảm dần. Cách sắp xếp như vậy tạo ra trật tự gần. Vật rắn vô định hình được mô tả giống như những quả cầu cứng xếp chặt trong túi cao su bó chặt một cách ngẫu nhiên tạo nên trật tự gần.

Cấu trúc vô định hình (trật tự gần) được hình thành từ năm loại mạng chính (hình vẽ), tỉ lệ nguyên tử chiếm 65% thể tích, còn lại 35% là lỗ trống, và số lân cận gần nhất là 5.

Tính năng của vật liệu vô định hình

Các phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình

Nguội nhanh từ thể lỏng

Là phương pháp được dùng phổ biến trong công nghệ luyện kim nguyên tắc là dùng một môi trường làm lạnh, thu nhiệt của hợp kim nóng chảy trong thời gian rất ngắn để chúng không kịp kết tinh trong quá trình hóa rắn Phương pháp nguội nhanh phổ biến nhất là phương pháp nóng chảy - quay, được mô tả như sau:

Hợp kim được nóng chảy và phun lên bề mặt một trống kim loại được quay với tốc độ rất nhanh đóng vai trò môi trường thu nhiệt. Hợp kim sẽ bị dàn mỏng thành dạng băng mỏng và làm lạnh với tốc độ rất nhanh và tạo ra các hợp kim có cấu trúc vô định hình.

Máy cao su xốp vô định hình

Trong tiếng Anh, thuật ngữ melt-spinning là để chỉ phương pháp nguội nhanh. Phương pháp này có nhiều cách khác nhau như nguội nhanh đơn trục hay nguội nhanh hai trục sử dụng 2 trống đồng quay tiếp xúc. Phương pháp nóng chảy-quay được dùng để chế tạo các hợp kim vô định hình, không thể chế tạo các kim loại vô định hình vì kim loại tinh khiết có tốc độ làm lạnh tới hạn rất cao. Phương pháp này tạo ra các băng hợp kim mỏng và được áp dụng phổ biến trong công nghiệp.

Phương pháp nguội nhanh khác là hút đúc hợp kim từ thể lỏng: Hợp kim được nấu nóng chảy, sau đó hút vào khuôn làm lạnh bằng đồng được làm lạnh bằng nước. Cách này cho các hợp kim dạng khối với tốc độ làm lạnh chỉ vài trăm độ một giây.

Bắn phá vật liệu nguồn bằng chùm điện tử, ion có năng lượng cao

Nghiền cơ học động năng cao: cho các bột kim loại hoặc hợp kim vô định hình

Thiêu kết áp lực cao từ bột hợp kim..