2.3 Свойства квазикристаллов.
Квазикристаллы, как правило, сплавы металлических элементов. Но физические свойства квазикристаллов отличаются от свойств других металлических систем. Электросопротивление металлов увеличивается при возрастании температуры, концентрации примесей , структурных дефектов. Квазикристаллы не изоляторы и не полупроводники, но в отличии от металлов их электросопротивление при низких температурах аномально велико, уменьшается с ростом температуры и возрастает по мере увеличения структурного порядка и отжига дефектов (длительный нагрев, устраняющий дефекты).
Другая особенность – конечный, как у металлов, линейно зависящий от температуры электронный вклад в удельную теплоемкость. По сравнению с металлом он занижен, но указывает на наличие свободных носителей заряда; у диэлектриков подобного вклада в теплоемкости нет. Практически все квазикристаллические сплавы – диамагнетики. Исключение составляют сплавы с марганцем, являющиеся парамагнетиками.
Теория твердого тела прекрасно объясняет электронные свойства нормальных металлов и их сплавов. Отправным пунктом является периодичность кристаллической структуры. Однако теория еще не в состоянии объяснить, почему квазипериодичность является источником специфичного поведения свойств. Для ответа на этот вопрос необходима большая экспериментальная и теоретическая информация об электронном строении (электронном спектре) квазикристаллов.
Интересны упругие и пластические свойства квазикристаллов. Упругие модули квазикристаллов меньше по величине, чем модули близких по составу кристаллических фаз. По упругим свойствам квазикристаллы гораздо ближе к аморфным металлам, чем к кристаллам. Пониженное значение упругих модулей указывает на более слабое межатомное взаимодействие, и на первый взгляд квазикристаллы должны легче деформироваться, чем их кристаллические аналоги. Однако высокая сила сопротивления движению дислокаций (линейных дефектов, ответственных за пластическую деформацию) в квазикристалле делает их менее пластичными и соответственно реальными кандидатами на роль эффективных упрочнителей в сплавах.
2.4.Применениеквазикристаллов
На сегодняшний день разработаны новые высокопрочные алюминиевые сплавы, которые укреплены нанодисперсными частицами квазикристаллов, для повышения температур и технологией их получения. Эти сплавы, в отличии от существующих высокопрочных алюминиевых сплавов, которые деформируются, и могут быть применены только при температуре 110оС, могут быть применены при температурах до 300оС,что очень необходимо для современной авиации. Сплавы имеют рекордные для алюминиевых сплавов характеристики жаропрочности.
Также разработана технология нанесения квазикристаллических покрытий может быть применима в разных отраслях техники для создания термических барьеров, защитных покрытий, и покрытий на инструменте, что улучшают его свойства. Выяснены условия и разработано методику получения методом ультразвуковой ударной обработки высокопрочных и износостойких композитных слоев на поверхности алюминиевых сплавов за счет образования стабильной квазикристаллической фазы системы Al-Cu-Fe, в отличии от сплавов системы Al-Fe-Cr, где укрепляющей фазой есть метастабильные квазикристаллические частицы. Доказано, что такие композиционные слои имеют существенно повышенную износостойкость в сравнении с немодифицырованым материалом.
Численные исследования показали, что благодаря своим уникальным свойствам квазикристаллические материалы могут быть использованы в авиации, автомобилестроении, ядерной, термоядерной и водородной энергетике, космической технике, приборостроении и других отраслях хозяйства.
Выводы
Возможность практического применения квазикристаллов определяют следующие свойства: прочность, низкий коэффициент трения, низкая теплопроводность и необычные электропроводящие свойства. Сегодня предполагается несколько областей их применения, в частности создание покрытий и добавление квазикристаллических нано-частиц в сплавы.
Самая важная область применения — производство покрытий. Это более перспективно, чем использование цельных квазикристаллов. Последние достаточно хрупкие, а при использовании покрытий проявляется их жесткость. Другой способ избежать проблемы хрупкости квазикристаллических материалов — использовать икосаэдрическиеквазикристаллические частицы нанометровых размеров для армирования сплавов на основе алюминия. Сейчас такие материалы коммерчески доступны в Японии и Швеции. Их уже используют для изготовления лезвий и хирургических инструментов, особенно в глазной хирургии. Будущие перспективы очень широки; в частности, материалы с такими свойствами нужны в авиационной промышленности.
Низкая теплопроводность и электропроводность квазикристаллов открывает возможности их использования для создания термоэлектрических материалов, конвертирующих тепловую энергию в электрическую. Это поможет утилизировать бросовое тепло, например, в автомобилях.
Несмотря на интереснейшие свойства квазикристаллов, их практическое применение, скорее, задача будущего. Промышленное внедрение тормозит ряд технических проблем: производство значительных количеств квазикристаллов — не простая, хотя и решаемая задача, а цена их пока чрезвычайно высока.