Между металлом и стеклом используют. Металлическое стекло в открытом космосе

Аморфные металлы характеризуются фазовой однородностью, их атомная структура аналогична атомной структуре переохлаждённых расплавов .

История

В 1990-х годах были открыты сплавы, которые переходили в аморфное состояние уже при скоростях охлаждения около 1°C/с. Это сделало возможным изготовление образцов с размерами порядка нескольких миллиметров.

Классификация

Аморфные сплавы подразделяются на 2 основных типа: металл-металлоид и металл-металл.

При аморфизации методом закалки из жидкого состояния могут быть получены сплавы, содержащие следующие элементы:

• Для типа металл-металлоид: B, C, Si, Al, P, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ge, As, Zr, Nb, Mo, Rh, Pd, Ag, Sn, Te, Hf, Ta, W, Ir, Pt, Au, Tl, La.
• Для типа металл-металл: Be, Mg, Al, Ca, Ti, V, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Y, Zr, Nb, Rh, Pd, Ag, Sb, Hf, Ta, Re, Ir, Pt, Au, Pb, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Th, Dy, Ho, Er, Lu, Th, U.

Свойства

По некоторым свойствам ряд аморфных металлов значительно отличаются от кристаллических того же состава. В частности, некоторые из них отличаются высокой прочностью и вязкостью , коррозионной стойкостью , высокой магнитной проницаемостью .

Механические свойства

Ряд металлических стёкол отличается очень высокой прочностью и твёрдостью . В аморфных сплавах на основе элементов подгруппы железа (Fe, Co, Ni) твёрдость HV может превышать 1000 ГН/м 2 , прочность - 4 ГН/м 2 . Вместе с этим металлические стёкла обладают очень высокой вязкостью разрушения: например, энергия разрыва Fe 80 P 13 C 7 составляет 110 кДж/м 2 , тогда как для стали X-200 значение этого параметра 17 кДж/м 2 .

Электрические свойства

Сопротивление аморфных металлов составляет, как правило, около 100-300 мкОм·см, что значительно выше сопротивления кристаллических металлов. Кроме того, сопротивление разных металлических стёкол в определённых температурных диапазонах характеризуется слабой зависимостью от температуры, а иногда даже убывает с увеличением температуры. При анализе особенностей сопротивления аморфных металлов выделяют 3 группы:

• простой металл - простой металл
• переходный металл - металлоид
• переходный металл - переходный металл.

Металлические стёкла группы простой металл - простой металл отличаются низким удельным сопротивлением (менее 100 мкОм·см). С ростом температуры сопротивление разных материалов данной группы может как возрастать, так и убывать.

Сопротивление материалов группы переходный металл - металлоид лежит в диапазоне 100-200 мкОм·см. Температурный коэффициент сопротивления поначалу положительный, а когда сопротивление достигает ~150 мкОм·см, становится отрицательным. Минимальное значение сопротивления при температурах 10-20 К.

Сопротивление материалов группы переходный металл - переходный металл превышает 200 мкОм·см. При этом с увеличением температуры сопротивление уменьшается.

Некоторые аморфные сплавы проявляют свойство сверхпроводимости , сохраняя при этом хорошую пластичность.

Получение

Существует множество способов получения металлических стёкол.

1. Осаждение газообразного металла
   • Вакуумное напыление
   • Распыление
   • Химические реакции в газовой фазе
2. Затвердевание жидкого металла
   • Закалка из жидкого состояния
3. Нарушение кристаллической структуры твёрдого металла
   • Облучение частицами
   • Воздействие ударной волной
   • Ионная имплантация
4. Электролитическое осаждение из растворов

Закалка из жидкого состояния

Закалка из жидкого состояния является основным способом получения металлических стёкол. Этот метод заключается в сверхбыстром охлаждении расплава, в результате которого он переходит в твёрдое состояние, избежав кристаллизации - структура материала остаётся практически такой же, как в жидком состоянии. Он включает в себя несколько методов, которые позволяют получать аморфные металлы в формах порошка, тонкой проволоки, тонкой ленты, пластинок. Также были разработаны сплавы с малой критической скоростью охлаждения, что позволило создавать объёмные металлические стёкла.

Для получения пластинок массой до нескольких сотен миллиграмм, капля расплава с большой скоростью выстреливается на охлаждаемую медную плиту, скорость охлаждения при этом достигает 10 9 °C/с. Для получения тонких лент шириной от десятых долей до десятков миллиметров расплав выдавливается на быстро вращающуюся охлаждающую поверхность. Для получения проволок толщиной от единиц до сотен микрон применяются разные методы. В первом расплав протягивается в трубке через охлаждающий водный раствор, скорость охлаждения при этом составляет 10 4 -10 5 °C/с. Во втором методе струя расплава попадает в охлаждающую жидкость, которая находится на внутренней стороне вращающегося барабана, где удерживается за счёт центробежной силы.

Применение

Несмотря на хорошие механические свойства, металлические стёкла не используются в качестве ответственных деталей конструкций по причине их высокой стоимости и технологических сложностей. Перспективным направлением является применение коррозионностойких аморфных сплавов в различных отраслях. В оборонной промышленности при производстве защитных бронированных ограждений используются прослойки из аморфных сплавов на основе алюминия для погашения энергии пробивающего снаряда за счет высокой вязкости разрушения таких прослоек.

Благодаря своим магнитным свойствам аморфные металлы используются при производстве магнитных экранов, считывающих головок аудио- и видеомагнитофонов, устройств записи и хранения информации в компьютерной технике, трансформаторов и других устройств.

Низкая зависимость сопротивления некоторых аморфных металлов от температуры позволяет использовать их в качестве эталонных резисторов.

См. также

Напишите отзыв о статье "Аморфные металлы"

Примечания

Литература

• Yoshizawa Y., Oguma S., Yamauchi K. New Fe-based magnetic alloys composed of ultrafine grain structure // J. Appl. Phys. 1988. М. 64, No 10.
• Herzer G. Nanocrystalline soft magnetic alloys // Handbook of magnetic materials. V. 10. Edited by K. H. J. Bushow. Amsterdam: Elsevier Science. 1997
• К. Судзуки, Х. Фудзимори, К. Хасимото. Аморфные металлы. - М .: Металлургия, 1987. - 328 с. - 3300 экз.
• Юрий Стародубцев. Магнитные свойства аморфных и нанокристаллических сплавов. Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2002.
• Юрий Стародубцев. , М. Техносфера, 2011.

Отрывок, характеризующий Аморфные металлы

Крики и огни в неприятельской армии происходили оттого, что в то время, как по войскам читали приказ Наполеона, сам император верхом объезжал свои бивуаки. Солдаты, увидав императора, зажигали пуки соломы и с криками: vive l"empereur! бежали за ним. Приказ Наполеона был следующий:
«Солдаты! Русская армия выходит против вас, чтобы отмстить за австрийскую, ульмскую армию. Это те же баталионы, которые вы разбили при Голлабрунне и которые вы с тех пор преследовали постоянно до этого места. Позиции, которые мы занимаем, – могущественны, и пока они будут итти, чтоб обойти меня справа, они выставят мне фланг! Солдаты! Я сам буду руководить вашими баталионами. Я буду держаться далеко от огня, если вы, с вашей обычной храбростью, внесете в ряды неприятельские беспорядок и смятение; но если победа будет хоть одну минуту сомнительна, вы увидите вашего императора, подвергающегося первым ударам неприятеля, потому что не может быть колебания в победе, особенно в тот день, в который идет речь о чести французской пехоты, которая так необходима для чести своей нации.
Под предлогом увода раненых не расстроивать ряда! Каждый да будет вполне проникнут мыслию, что надо победить этих наемников Англии, воодушевленных такою ненавистью против нашей нации. Эта победа окончит наш поход, и мы можем возвратиться на зимние квартиры, где застанут нас новые французские войска, которые формируются во Франции; и тогда мир, который я заключу, будет достоин моего народа, вас и меня.
Наполеон».

В 5 часов утра еще было совсем темно. Войска центра, резервов и правый фланг Багратиона стояли еще неподвижно; но на левом фланге колонны пехоты, кавалерии и артиллерии, долженствовавшие первые спуститься с высот, для того чтобы атаковать французский правый фланг и отбросить его, по диспозиции, в Богемские горы, уже зашевелились и начали подниматься с своих ночлегов. Дым от костров, в которые бросали всё лишнее, ел глаза. Было холодно и темно. Офицеры торопливо пили чай и завтракали, солдаты пережевывали сухари, отбивали ногами дробь, согреваясь, и стекались против огней, бросая в дрова остатки балаганов, стулья, столы, колеса, кадушки, всё лишнее, что нельзя было увезти с собою. Австрийские колонновожатые сновали между русскими войсками и служили предвестниками выступления. Как только показывался австрийский офицер около стоянки полкового командира, полк начинал шевелиться: солдаты сбегались от костров, прятали в голенища трубочки, мешочки в повозки, разбирали ружья и строились. Офицеры застегивались, надевали шпаги и ранцы и, покрикивая, обходили ряды; обозные и денщики запрягали, укладывали и увязывали повозки. Адъютанты, батальонные и полковые командиры садились верхами, крестились, отдавали последние приказания, наставления и поручения остающимся обозным, и звучал однообразный топот тысячей ног. Колонны двигались, не зная куда и не видя от окружавших людей, от дыма и от усиливающегося тумана ни той местности, из которой они выходили, ни той, в которую они вступали.
Солдат в движении так же окружен, ограничен и влеком своим полком, как моряк кораблем, на котором он находится. Как бы далеко он ни прошел, в какие бы странные, неведомые и опасные широты ни вступил он, вокруг него – как для моряка всегда и везде те же палубы, мачты, канаты своего корабля – всегда и везде те же товарищи, те же ряды, тот же фельдфебель Иван Митрич, та же ротная собака Жучка, то же начальство. Солдат редко желает знать те широты, в которых находится весь корабль его; но в день сражения, Бог знает как и откуда, в нравственном мире войска слышится одна для всех строгая нота, которая звучит приближением чего то решительного и торжественного и вызывает их на несвойственное им любопытство. Солдаты в дни сражений возбужденно стараются выйти из интересов своего полка, прислушиваются, приглядываются и жадно расспрашивают о том, что делается вокруг них.
Туман стал так силен, что, несмотря на то, что рассветало, не видно было в десяти шагах перед собою. Кусты казались громадными деревьями, ровные места – обрывами и скатами. Везде, со всех сторон, можно было столкнуться с невидимым в десяти шагах неприятелем. Но долго шли колонны всё в том же тумане, спускаясь и поднимаясь на горы, минуя сады и ограды, по новой, непонятной местности, нигде не сталкиваясь с неприятелем. Напротив того, то впереди, то сзади, со всех сторон, солдаты узнавали, что идут по тому же направлению наши русские колонны. Каждому солдату приятно становилось на душе оттого, что он знал, что туда же, куда он идет, то есть неизвестно куда, идет еще много, много наших.
– Ишь ты, и курские прошли, – говорили в рядах.
– Страсть, братец ты мой, что войски нашей собралось! Вечор посмотрел, как огни разложили, конца краю не видать. Москва, – одно слово!
Хотя никто из колонных начальников не подъезжал к рядам и не говорил с солдатами (колонные начальники, как мы видели на военном совете, были не в духе и недовольны предпринимаемым делом и потому только исполняли приказания и не заботились о том, чтобы повеселить солдат), несмотря на то, солдаты шли весело, как и всегда, идя в дело, в особенности в наступательное. Но, пройдя около часу всё в густом тумане, большая часть войска должна была остановиться, и по рядам пронеслось неприятное сознание совершающегося беспорядка и бестолковщины. Каким образом передается это сознание, – весьма трудно определить; но несомненно то, что оно передается необыкновенно верно и быстро разливается, незаметно и неудержимо, как вода по лощине. Ежели бы русское войско было одно, без союзников, то, может быть, еще прошло бы много времени, пока это сознание беспорядка сделалось бы общею уверенностью; но теперь, с особенным удовольствием и естественностью относя причину беспорядков к бестолковым немцам, все убедились в том, что происходит вредная путаница, которую наделали колбасники.
– Что стали то? Аль загородили? Или уж на француза наткнулись?
– Нет не слыхать. А то палить бы стал.
– То то торопили выступать, а выступили – стали без толку посереди поля, – всё немцы проклятые путают. Эки черти бестолковые!
– То то я бы их и пустил наперед. А то, небось, позади жмутся. Вот и стой теперь не емши.
– Да что, скоро ли там? Кавалерия, говорят, дорогу загородила, – говорил офицер.
– Эх, немцы проклятые, своей земли не знают, – говорил другой.
– Вы какой дивизии? – кричал, подъезжая, адъютант.
– Осьмнадцатой.
– Так зачем же вы здесь? вам давно бы впереди должно быть, теперь до вечера не пройдете.
– Вот распоряжения то дурацкие; сами не знают, что делают, – говорил офицер и отъезжал.
Потом проезжал генерал и сердито не по русски кричал что то.
– Тафа лафа, а что бормочет, ничего не разберешь, – говорил солдат, передразнивая отъехавшего генерала. – Расстрелял бы я их, подлецов!
– В девятом часу велено на месте быть, а мы и половины не прошли. Вот так распоряжения! – повторялось с разных сторон.
И чувство энергии, с которым выступали в дело войска, начало обращаться в досаду и злобу на бестолковые распоряжения и на немцев.

Металлические стекла, или аморфные сплавы, получают путем охлаждения расплава со скоростью, превышающей скорость кристаллизации. В этом случае зарождение и рост кристаллической фазы становятся невозможными и металл после затвердевания имеет аморфное строение. Высокие скорости охлаждения могут быть достигнуты различными методами, однако наиболее часто используется закалка из расплава на поверхности быстро вращающегося диска (рис. 177). Этот метод позволяет получить ленту, проволоку, гранулы, порошки.

Получение аморфной структуры в принципе возможно для всех металлов. Наиболее легко аморфное состояние достигается в сплавах Al, Pb, Sn, Си и др. Для получения металлических стекол на базе Ni, Со, Fe, Мп, Сг к ним добавляют неметаллы или полуметаллические элементы С, Р, Si, В, As, S и др. (аморфообразующие элементы). Аморфные сплавы чаще отвечают формуле М 80 Х 20 , где М - один или несколько переходных элементов, а X - один или несколько неметаллов или других аморфообразующих элементов (Fe 80 P 13 C, Ni 82 P 18 , Ni 80 S 20).

Рис. 177. Схема получения аморфных сплавов с помощью быстрого охлаждения из расплава: а - разливка на диск; б - разливка между двумя дисками; 1 - индуктор; 2 - расплав; 3 - тигель; 4 - диск; 5 - лента аморфного материала

Аморфное состояние металлов метастабильно. При нагреве, когда подвижность атомов возрастает, протекает процесс кристаллизации, что постепенно приводит металл (сплав) через ряд мета- стабильных в стабильное кристаллическое состояние. Механические, магнитные, электрические и другие структурно-чувствительные свойства аморфных сплавов значительно отличаются от свойств кристаллических сплавов. Характерной особенностью аморфных сплавов являются высокий предел упругости и предел текучести при почти полном отсутствии деформационного упрочнения.

Высокие механические свойства

Высокими механическими свойствами обладают аморфные сплавы на основе кобальта.

Аморфные сплавы нередко хрупки при растяжении, но сравнительно пластичны при изгибе и сжатии. Могут подвергаться холодной прокатке. Установлена линейная связь между пределом текучести и твердостью для сплавов на основе железа и кобальта. Прочность аморфных сплавов близка к теоретической. Это объясняется, с одной стороны, высоким
значением о т, а с другой - более низкими значениями модуля упругости Е (на 30-50 %) по сравнению с кристаллическими сплавами.

Аморфные сплавы на основе железа и содержащие не менее 3-5 % Сr обладают высокой коррозионной стойкостью. Хорошую коррозионную стойкость имеют и аморфные сплавы на основе никеля. Аморфные сплавы Fe, Со, Ni с добавками 15-25 % аморфообразующих элементов В, С, Si, Р используют как магнитно-мягкие материалы.

Группы аморфных сплавов

Магнитно-мягкие аморфные сплавы делят на три основные группы:

1. аморфные сплавы на основе железа с высокими значениями магнитной индукции и низкой коэрцитивной силой (32-35 мА/см);
2. железоникелевые сплавы со средними значениями магнитной индукции (0,75-0,8 Тл) и более низким значением коэрцитивной силы, чем у железных сплавов (6-7 мА/см);
3. аморфные сплавы на основе кобальта, имеющие сравнительно небольшую индукцию насыщения (0,55 Тл), но высокие механические свойства (900-1000 HV), низкую коэрцитивную силу и высокое значение магнитной проницаемости. Вследствие очень высокого удельного электрического сопротивления аморфные сплавы характеризуются низкими потерями на вихревые токи - это их главное достоинство.

Магнитно-мягкие аморфные сплавы применяют в электротехнической и электронной промышленности (магнитопроводы трансформаторов, сердечников, усилителей, дроссельных фильтров и т. д.). Сплавы с высоким содержанием кобальта идут для изготовления магнитных экранов и магнитных головок, где важно иметь материал с высоким сопротивлением износу.

Область применения металлических стекол пока еще ограничена тем, что быстрым охлаждением (закалкой) из жидкого состояния их удается получить только в виде тонких лент (до 60 мкм) шириной до 200 мм и более или проволоки диаметром 0,5-20 мкм. Однако имеются широкие перспективы развития материалов этой группы.

Полученное при помощи просвечивающего электронного микроскопа изображение разных уровней кристаллизованности аморфного металла

Инженеры из Университета Южной Калифорнии получили новый вид металлического стекла , отличающийся повышенной упругостью. Материал сочетает в себе, кажется, несочетаемые свойства – твёрдость, прочность и эластичность. Материал, получивший технологическое название SAM2X5-630, обладает наивысшей ударной прочностью из всех известных металлических стёкол.

Металлические стёкла, или аморфные металлы - класс металлических твердых тел с аморфной структурой. В отличие от металлов с их кристаллической структурой, таковая у аморфных металлов аналогична атомной структуре переохлаждённых расплавов.


Слева прыгает шарик из нового металлического стекла, справа – из обычной стали

Материал способен выдерживать сильные удары, при этом он не крошится и не ломается, а возвращает первоначальную форму. Потенциал его применения практически безграничен – начиная от свёрл и бронежилетов и заканчивая имплантатами для укрепления костей и защитой космических спутников.

Обычно аморфные металлы получают нагреванием до 630 °C, а затем очень быстрым (порядка градуса в секунду) охлаждением. Материал SAM2X5-630 был получен нагреванием порошкообразного состава на основе железа (Fe 49.7 Cr 17.7 Mn 1.9 Mo 7.4 W 1.6 B 15.2 C 3.8 Si 2.4).

Уникальные свойства металла происходят из удачной находки сочетания температуры нагревания и скорости охлаждения – именно такие условия, которые испытал полученный состав, приводят к образованию локальных очагов слабо выраженной кристаллической структуры. Другие условия нагрева или охлаждения приводят к получению полностью аморфных металлов со случайным расположением атомов.

«У него почти нет внутренней структуры, и в этом он похож на стекло, но при этом встречаются регионы с кристаллизацией,- говорит Вероника Эльясон , ассистент-профессор из Инженерной школы им.Витерби при университете, и ведущий автор работы. – Мы пока понятия не имеем, почему небольшое количество кристаллизировавшихся участков в металлических стёклах приводят к таким сильным различиям в реакциях на удар».

Динамический предел упругости Гюгонио (максимальное воздействие, которое материал выдерживает без необратимой деформации), был определён для SAM2X5-630 в районе 12 ГПа. У нержавеющей стали этот показатель равен 0,2 ГПа, у карбида вольфрама (используемого для создания твёрдых инструментов и сердечников бронебойных пуль) – 4,5 ГПа, у алмазов – до 60 ГПа.

Изучение аморфных металлов началось в 1960 году в Калифорнийском технологическом институте – группой учёных было получено первое металлическое стекло Au 75 Si 25 . С тех пор было получено множество подобных материалов с интересными свойствами, однако пока область их практического применения нельзя назвать широкой из-за их высокой стоимости.

Например, полученный недавно в Японии Ti 40 Cu 36 Pd 14 Zr 10 - неканцерогенный, в три раза прочнее титана, мало изнашивается, при трении не образует порошок, а по модулю продольной упругости практически совпадает с человеческими костями – в потенциале его можно будет использовать как прекрасную искусственную замену суставов.

Формирование и распространение полос сдвига на поверхности образца металлического стекла (Pd79Ag3.5P6Si9.5Ge2)

Под сканирующим электронным микроскопом хорошо видна ступенчатая структура полосы сдвига.

По краям трещин формируются аналогичные полосы сдвига, что приводит к разрушению вершины трещины и препятствует её дальнейшему росту.

Благодаря своей аморфной структуре металлические стекла могут быть прочными, как сталь, и пластичными, как полимерные материалы, они способны проводить электрический ток и обладают высокой коррозионной стойкостью. Такие материалы могли бы получить широкое распространение при изготовлении медицинских имплантатов и разнообразных электронных устройств, если бы не одно неприятное свойство: хрупкость. Металлические стекла, как правило, являются ломкими и неравномерно сопротивляются усталостным нагрузкам, что ставит под вопрос их надежность. Использование многокомпонентных аморфных металлов (композитов) решает эту проблему, однако для монолитных металлических стекол она до сих пор актуальна.

В рамках нового исследования , проведенного совместно учеными из Лаборатории Беркли и Калифорнийского технологического института, был найден способ повысить усталостную прочность объемных металлических стекол. Объемное металлическое стекло на основе палладия, подвергнутое усталостным нагрузкам, проявило себя ничуть не хуже, чем лучшие из композитных металлических стекол. Его усталостная прочность сравнима с этим показателем для широко используемых поликристаллических конструкционных металлов и сплавов, таких как сталь, алюминий и титан.

Под нагрузкой на поверхности палладиевого металлического стекла образуется полоса сдвига — локальная область значительной деформации, которая принимает ступенчатую форму. При этом по краям трещин, разделяющих «ступени», возникают такие же полосы сдвига, что притупляет вершины трещин и препятствует их дальнейшему распространению.

Палладий характеризуется высоким соотношением модулей объемного сжатия и сдвига , что скрадывает присущую стеклообразным материалам хрупкость, поскольку образование «многоуровневых» полос сдвига, препятствующих дальнейшему росту трещин, оказывается энергетически более выгодным, чем формирование крупных трещин, приводящих к быстрому разрушению образца. Вкупе с высоким

Мировой экономический кризис не останавливает активные инновационные разработки в области космических исследований. Металлическое стекло «со странными свойствами», впервые изобретенное в 1960 году Полом Дювецом, похоже, наконец обрело достойное применение. Его обновленный состав планируется использовать при создании космических роботов-исследователей. О новом материале и проекте НАСА по космической роботизации, рассказывает портал ОКНА МЕДИА.

Когда Пол Дювец в 1960 году выливал расплавленный горячий состав на основе металла и наблюдал за его свойствами при резком охлаждении, ему и в голову не могло прийти, что данное необычное изобретение вдохновит не только футуристический кинематограф, но и станет реальной основой для новых космических программ. Первоначально полученный Дювецом состав был крайне хрупким и ломким. Он назывался сверхбыстрозамороженным, поскольку вырабатывался при резких скачках температур и одновременном литье состава на стремительно вращающийся медный цилиндр. Охлаждение происходило со скоростью 10 000 000 К/с.

Аморфность как главное свойство сразу определило новый материал. Название «объемное металлическое стекло» возникло в 70-е годы для обозначения новых макроскопических палладиевых сплавов объемом 1 мм с трехмерной структурой. Такое наименование было дано, поскольку сплав был только в основе своей металлическим, а его ключевым свойством была текучесть, или склонность к стеклованию, как ее называли экспериментаторы. По сути, металлическое стекло - это двухфазная структура «стекло –металл», где композит на основе металла или соединений различных металлов непрерывно переходит в стекловидное состояние при охлаждении и претерпевает обратное превращение в застывший металл при следующем затем нагревании с достаточно высокой скоростью процесса нагрева.

фото: разные варианты поверхностей металлического стекла - состав после застывания

Впоследствии эта способность сплава к метаморфозам натолкнула художников, сценаристов и режиссера культового фильма оТерминаторе на создание образа самогенерирующихся роботов-убийц из текучего металлического стекла. Однако практическое применение состава до сих пор был крайне узким, и находилось в основном в области микроштамповки. Еще недавно рассуждения о том, что объемное металлическое стекло может быть использовано в космической промышленности носили исключительно «предположительный» характер.

Металлическое стекло: практическое применение - Космос

На сегодня НАСА является первой организацией, где объемное металлическое стекло, или BMG, станет участником крупномасштабной космической программы по роботизации Вселенной. Основная сложность при работе с металлическим стеклом заключается в рецептуре: состав остается хрупким, если не найти филигранную пропорцию между металлами-участниками сплава. Также предотвратить образование трещин помогает кристаллизация с помощью специальных веществ, которые, формируя кристаллические решетки, скрепляют полосы скольжения внутри сплава и не дают ему «ломаться». До сих пор эксперименты с металлическим стеклом позволяли использовать его в микроэлектромеханических системах (МЭМС), при прозводстве имплантов и хирургических инструментов.

Сжать нельзя растянуть: удивительные свойства BMG

Наряду с хрупкостью – проблемой, которую предстоит решать и решить создателям космических роботов, - металлическое стекло обладает почти сверхестественной гибкостью, высокими антикоррозийными показателями и даже самовосстанавливающимися свойствами после снятия прилагаемой нагрузки – почти как в кино. Интересной «слабостью» BMG является его неустойчивость к различного рода растяжениям. Однако при смене толщины до показателя < 10 нм образцы становятся гораздо более устойчивыми к деформациям, чем при толщине < 1 мм, что также называется «странным свойством» металлического стекла. Пока ученые работают с трехмерными микромоделями из металлического стекла и бдумывают пути снижения себестоимости использования состава для его широкого применения в производстве и промышленности, американское космическое агентство заявило о создании роботов-исследователей на основе BMG.

Терминатор в реальном Космосе


фото: несмотря на фантастичность, фильм отразил главные свойства BMG - он легко плавится и быстро и прочно застывает

В отличие от шутливого киношного прототипа конструкции НАСА нацелены исключительно на мирные программы покорения космических пространств. Устойчивость и «хорошее поведение» образцов из BMG при сжатии позволяет использовать сплав для создания роботов, нацеленных на работу с очень холодными объектами. Это важно для работы космических роверов Curiosity , которые не могут работать на смазке без подогрева, а процесс нагревания на данный момент стал слишком затратным.

Металлическое стекло позволяет сконструировать своеобразный защитный панцирь, который будет предохранять машины от холодных температур и позволит существенно снизить энергозатраты на подогрев. Гибкость металлического стекла позволяет ему при нагревании обтекать любые формы и поверхности и потому его защитные функции могут использовать практически для любых изделий любой формы. Использование веществ для кристаллизации состава и рандомизация атомов в сплаве повышает его защитные свойства и делает нечувствительным к нагрузкам. Одним из минусов пока остается большой вес сплава и готовой конструкции из него.

Металлическое стекло в России и сотрудничество с НАСА

В России инновационный высокотехнологичный материал BMG начнут разрабатывать в университете НИТУ «МИСиС» на базе лаборатории «Перспективные энергоэффективные материалы». Под руководством Акихиса Иноуэ (Akihisa Inoue), профессора университета Тохоку (Япония), который является признанным мировым экспертом в сфере материаловедения и металлического стекла, будет проходить разработка усовершенствованного металлического стекла, которое, по заявлениям ученых, по прочности будет превосходить сталь. Вполне возможно, что в перспективе русские и американские ученые создадут совместную космическую программу, где будет задействован BMG.

Сегодня, несмотря на экономические санкции и сложности на российско-американском политическом ландшафте, сотрудничество США России в области исследования космоса продолжается. Одним из интересных экспериментов станет наземная программа изучения человека во время длительной изоляции с целью подготовки астронавтов к пребыванию на инопланетных станциях, например, на Марсе или Луне, при участии Института медико-биологических проблем Российской Академии Наук.

О программе подробно рассказал в своем интервью одному из российских новостных агентств 6 декабря директор программы по изучению человека в НАСА Уильям Палоски.

Программа Марсианин и металлическое стекло

Программа рассчитана на построение двухнедельного изоляционного эксперимента с участием русских и американских специалистов, который поможет изучить и определить возможности организма человека в условиях имитации пребывания в космосе на базе российского модуля Марс-500. Проект будет осуществлен в 2017 - 2018 годах. Специалисты ИМБП (Институт медико-биологических проблем) станут участниками экспериментов в изоляционных системах НАСА. Также предусмотрено участие в проекте одного астронавта из Японии.

В отличие от фильма «Марсианин», эксперимент будет проводиться в группах по четыре-шесть человек и на Земле. Уильям Палоски заявил, что обе стороны, и российская, и американская, одинаково заинтересованы в укреплении и расширении сотрудничества в раках исследования Космоса. Предварительные высказывания нового президента США по поводу развития сотрудничества наших стран в космической сфере также показывают заинтересованность и внушают оптимизм.

Возможно, что в перспективе новые роботы из объемного металлического стекла будут содействовать работе международных экипажей на орбите и станциях вне Земли.


фото: аморфная и кристаллическая структуры в составе BMG в основе его "перемечивых" свойств - прочности и текучести Несмотря на большой промежуток времени – более 50 лет со дня открытия – свойства металлического стекла и двухфазной структуры стекло-кристалл до сих пор не изучены и представляют огромную территорию для революционных технологических экспериментов и открытий с целью применения в самых разных областях человеческой деятельности – от электроники и медицины до космических роботов. Новый всплеск интереса к металлическому стеклу в наше время идет в русле поиска применения сплава с добавлением полимеров к композиту и его максимальной коммерциализации.