Komplexné kovové zliatiny - nádej pre kovy

Priemysel založený na kovoch dodnes závisí od základných kovov a binárnych kovových zliatin, ku ktorým sa pridávajú prídavné prvky v malých množstvách nato, aby sme získali požadované vlastnosti. Menej sa používajú ternárne a kvaternárne zliatiny, ktoré majú tri alebo štyri komponenty v porovnateľných množstvách, ktoré určujú základné vlastnosti (ako precipitačne vytvrdené niklové zliatiny).

Taktiež intermetalické fázy, materiály, ktorých existencia je založená na niekoľkých stechiometriách, sa technologicky používajú v binárnej a pseudobinárnej forme. Ternárne intermetaliká sa používajú iba výnimočne. Z pol milióna možných ternárnych metalických systémov bolo kryštalograficky preskúmaných iba niekoľko percent a okrem pár prípadov neexistujú informácie o fyzikálnych a chemických vlastnostiach. To platí v o to väčšej miere pre niekoľko z desiatich miliónov štvorzložkových intermetalík. Zhodnotenie: Zo všetkých možných intermetalických systémov bola preskúmaná a vývoj bol dotiahnutý až dokonca iba pre malú skupinu týchto materiálov.

 

Komplexné kovové zliatiny alebo v skratke CMA sú kryštalické zlúčeniny rodiny intermetalík, ktoré sú charakterizované a) veľkou elementárnou bunkou, zloženou až z tisícov atómov, b) výskytu dobre definovaných zhlukov, najčastejšie z ikosaedrickou symetriou a c) čiastočnou neusporiadanosťou založenou na fakte, že ikosaéder nevyplňuje Euklidovský trojrozmerný priestor.

 

CMA sa tvoria v mnohých kovových systémoch, zmiešaných s metaloidmi alebo kovmi vzácnych zemín. Typickým príkladom sú zliatiny, kde TM sú jeden alebo viaceré kovy z prechodných kovov ako Cu-Fe alebo Ni-Co.

 

V prírode existuje množstvo kovových prvkov - v periodickej sústave je takmer 100 rôznych čistých kovov - stretávame sa s rôznymi obmenami vzhľadom na ich fyzikálne vlastnosti: Pomyslite na ľahký titán (Ti), mäkké ale husté olovo (Pb), tvrdý a hustý wolfrám (W), tekutú ortuť (Hg), magnetické železo alebo kobalt (Fe, Co), meď s nízkym odporom (Cu), horľavý draslík (K) alebo inertné zlato.
Kombináciou týchto kovov ako intermetalických zlúčenín dostávame kompletne rozdielne fyzikálne, chemické alebo povrchové vlastnosti. Pomyslite na prispôsobovanie kovu, ktorý poznáme všetci: napr. variácie x v zliatine Au1-xCux. Vybratím x=0 dostávame čisté zlato. Pre x=0.25 dostávame tvrdé a odolné biele zlato, ktoré sa dá nosiť na prste. Táto veľmi dobre známa zliatina Cu-Au obsahuje iba 4 atómy na elementárnu bunku. Na druhej strane, zmeny vo vlastnostiach CMA materiálov, obsahujúcich viac ako 7000 atómov na elementárnu bunku, začíname chápať iba dnes. Výborným príkladom je CuxYb (Yb=yterbium, magnetický materiál). Variáciou x nastavujeme mriežkový parameter v nano rozmeroch, vlastnosti sa tým stávajú nastaviteľné v oveľa lepšej kvalite.

 

CMA majú špecifické vlastnosti, ktorá vyplýva z ich atómovej štruktúry. Kombináciou exotických rozmiestnení atómov s hybridizáciou má za výsledok nezvyčajné elektrónové a fonónové štruktúry, ktoré sa prejavujú rôznymi spôsobmi:

 

- elektróny sa nemôžu voľne pohybovať, elektrónová vodivosť je nízka,

 

- atómy nemôžu súčasne oscilovať a vymieňať energiu bežným spôsobom, tepelná vodivosť je malá,

 

- elektróny medzi atómami spoja atómy dokopy, konštanta elasticity je veľmi vysoká aj pri izbovej teplote,

 

- neprítomnosť usporiadania na malú vzdialenosť spôsobuje vznik vakancií veľmi špecifickej elektrónovej štruktúry, vhodnej na veľmi selektívne adsorpčné reakcie.

 

Vďaka tomuto vnútornému usporiadaniu dokážeme získať materiály s nízkou elektrónovou vodivosťou a nízkou tepelnou vodivosťou, čo u bežných materiálov nenachádzame. Ich použitie si môžeme predstaviť v kryotechnike vďaka magnetokalorickému efektu a vysokej účinnostic chladiaceho cyklu. Povrchové inžinierstvo sa týmito materiálmi môže dostať na inú kvalitatívnu hladinu, vďaka možnosti presne nastaviť požadované vlastnosti. Prebiehajúci výskum sa venuje povrchom pred a po vystavení prostrediu. Pretože najdôležitejším pre prax je získať stabilný povrch, študujú sa možnosti, ako vytvrdzovanie povrchov CMA materiálov na vzduchu, oxidácia na vzduchu pri vysokých teplotách a korózia vo vodných roztokoch. Skúma sa chemická charakterizácia a prehliadanie povrchových vrstiev.

 

Príklady komlexných kovových zliatin:

 

Intermetaliká: (10) atómov v elementárnej bunke

 

Taylorova fáza: 3Mn, 156 atómov na elementárnu bunku

 

Samsonova fáza: β- Mg2Al3, 1168 atómov na elementárnu bunku

 

Paulingova fáza: NaCd2, 1152 atómov na elementárnu bunku

 

Begmanova fáza: Mg32(Al,Zn)49, 162 atómov na elementárnu bunku

 

Kvázi kryštály: ∞ atómov na elementárnu bunku

 

 

 

V tejto dobe sa skúmajú štyri hlavné oblasti použitia:

 

- Energetické aplikácie

 

- Povrchy, vrstvy a rozhrania

 

- Kompozitné a objemové použitie

 

- Materiály s vysokou pridanou hodnotou (elektronika, optika a magnetické materiály)

 

Doplňujúce informácie: Kvázikryštály