1.2.Аморфизация кристаллического состояния путём введения в кристаллы большого количества дефектов

При катодном распылении поверхность металла, являющегося катодом, бомбардируется ускоренными в электрическом поле ионами газа. Ионы, ускоренные электрическим полем, могут сами внедряться в поверхностный слой металла, создавая в нём точечные дефекты и приводя к аморфизации структуры, или выбивать с поверхности атомы металла. При достаточно больших дозах ионного облучения, вызывающих, по меньшей мере, одно смещение на атом, в поверхностном слое образуется аморфная структура.

Бомбардировка собственными ионами не создаёт стабильной аморфной структуры, однако имплантация ионов элементов, стабилизирующих аморфное состояние (например, фосфора), позволяет получить на поверхности тонкий (менее 1 мкм) стеклообразный слой. При конденсации распылённых атомов металла на холодной подложке также может образоваться аморфная плёнка.

Особенностями метода распыления является относительно высокое (0,1…1,0 Па) давление газа в камере распыления, а также эмиссия атомов в широком интервале углов по отношению к потоку ионов. Вследствие этого в напыляемую плёнку попадает много атомов остаточного газа, а подложка нагревается. Поэтому этот метод не пригоден для получения в аморфном состоянии чистых металлов, но используется для изготовления толстых (несколько миллиметров) аморфных плёнок из соединений типа SiC, SiB, SiN, характеризующихся высокой температурой кристаллизации.

Толстую (несколько миллиметров) аморфную плёнку систем Ni­­–P, Co–P, Fe–P, Co–Ni–P, Co–W, Co–Re, Fe–W, Сr–W, Fe–Mo, Cr–Fe получают электролитическим осаждением на катоде, чаще всего медном или графитовом, из водных растворов хлоридов соответствующих металлов и солей метафосфорной (H3PO3) или ортофосфорной (H3PO4) кислот. Из водных растворов хлоридов металла, гипофосфитов и гидрида бора можно получать такие же относительно толстые аморфные плёнки систем Co–P, Ni–B, Ni–Fe–B и др., в которых в качестве элемента-аморфизатора выступает бор.

Методы конденсации атомов из газовой фазы или растворов, осаждения паров, имплантации собственных или примесных ионов, другие методы воздействия на поверхность кристаллов позволяют получать аморфные металлы лишь в виде тонких поверхностных слоёв или плёнок. Эти методы, реализующие по существу последовательную укладку атома к атому, малопроизводительны, непригодны для получения аморфных металлов в большом количестве и применяются преимущественно для получения аморфного состояния металлов в исследовательских целях. Иногда плёночные покрытия из химических соединений применяют в качестве инструментальных, износостойких и антифрикционных. Например, плёнки TiC, TiN, TiB2 и т.п. позволяют в несколько раз повысить стойкость режущего инструмента.

1.3.Интенсивная пластическая деформация

Типичным представителем методов «сверху вниз» является метод получения наноструктурных материалов путём интенсивной пластической деформации (ИПД) кристаллических металлов. Интенсивной называется деформация с большими (100…1000%) степенями и при больших (несколько гигапаскалей) приложенных давлениях, а также относительно невысоких (ниже ~0,4Tпл) значениях температуры. При этом наноструктура получается в объёмной заготовке исходного материала путём измельчения зёрен до наноразмеров.

Наиболее распространены два метода ИПД: равноканальное угловое (РКУ) прессование и кручение под высоким давлением (рис. 2), однако существует и ряд других: всесторонняя ковка, РКУ-вытяжка, винтовая экструзия и другие.

В методе РКУ-прессования (рис. 2а) заготовка квадратного или круглого сечения поперечным размером до 20 мм и длиной порядка 100 мм продавливается в специальной оснастке через два канала с одинаковыми поперечными сечениями, пересекающимися под определённым углом φ (чаще всего 90°). Образец пропускается через каналы последовательно несколько (обычно 8…10) раз. РКУ-прессование является одним из наиболее активно развиваемых методов интенсивной пластической деформации, поскольку позволяет получать достаточно массивные заготовки, которые можно использовать не только для структурных исследований, но и для изготовления изделий.

Рис. 2. Схемы интенсивной пластической деформации равноканальным угловым прессованием (а) и кручением под высоким давлением (б):

1 – пуансон,

2 – заготовка,

3 – матрица

При ИПД кручением (иногда используется термин «сдвиг под давлением») образец в форме тонкого диска помещается между двумя бойками и сжимается давлением в 5…10 ГПа; один из бойков вращается, и силы поверхностного трения заставляют образец деформироваться сдвигом (рис. 2б). Обычно делается несколько полных оборотов. Бльшая часть объёма образца деформируется в условиях всестороннего сжатия, поэтому образец не разрушается даже при больших степенях деформации. Типичные размеры получаемых образцов — 10…20 мм в диаметре и 0,2…1 мм толщиной; размер получаемых зёрен составляет ~100 нм при ИПД кручением и 200…300 нм при РКУ-прессовании, но может быть и меньше.