Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие

глава 2. Получение компактных двумерных и трехмерных наноматериалов
аморфной структуры в состав сплавов вводят специальные легирую-
щие элементы — аморфизаторы в количестве до 30 %. В качестве амор-
физаторов обычно используют B, C, Cr, N и др. Другой подход связан 
с выбором сплавов, имеющих определенную базовую эвтектику, ко-
торая образуется при взаимодействии ряда фаз–аморфизаторов. Дан-
ные фазы легируют с целью понизить температуру плавления и пода-
вить образование зародышей кристаллов при затвердевании сплава. 
Этот подход позволяет получать кроме микроизделий (ленты, фоль-
ги, проволоки) также и объемные материалы толщиной до 10 мм.
Аморфное состояние сплавов является метастабильным, поэтому 
после аморфизации часто проводят отжиг, в процессе которого ча-
стично происходит переход к более стабильному состоянию. Одна-
ко метастабильность остается, и при нагреве от 0.4 до 0.65 
Т
пл
мате-
риал переходит в кристаллическое состояние. В связи с этим наряду 
с аморфным большой интерес стал появляться и к нанокристалличе-
скому состоянию аморфизирующихся сплавов. В ряде случаев для по-
лучения аморфного состояния проводят предварительную обработку 
(например, высокоскоростную закалку) заготовок, а такие заготовки 
часто называют прекурсорами.
Для ряда объемно-аморфизирующихся сплавов, например для 
сплавов на основе железа, возможно получение нанокристалличе-
ской или аморфно-нанокристаллической структуры непосредственно 
при закалке расплава со скоростью охлаждения немного ниже кри-
тической скорости образования аморфного состояния. Однако для 
большинства сплавов при таком подходе получается неоднородная 
нестабильная структура. Поэтому, как правило, для получения на-
ноструктуры используется контролируемая кристаллизация сплавов 
из аморфного состояния при термообработке. В качестве перспек-
тивы рассматривается получение нанокристаллической структуры 
путем инициации процессов кристаллизации в процессе деформи-
рования аморфного материала. Аморфные металлические сплавы 
получают с помощью быстрого (со скоростью, большей или равной 
10
6
K/ с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска 
или барабана. Этот метод называется 
спиннингованием
. Для соз-
дания наноструктуры проводится отжиг. Отжиг проводится так, что-
бы возникало большое число центров кристаллизации, а скорость 
роста кристаллов была низкой.

---

115
2.5. Кристаллизация аморфных сплавов
Как пример можно рассмотреть аморфный магнитожесткий сплав 
Fe
90
Zr
7
B
3
. Аморфный сплав с таким химическим составом был получен 
спиннингованием и затем подвергнут релаксационному отжигу при 
температуре 673 K в течение 2 ч. Для формирования нанокристалли-
ческой структуры аморфный сплав был дополнительно отожжен при 
температуре 873 K в вакууме 10
–5
Па в течение 1 ч. Размер зерен кри-
сталлической ОЦК фазы 
α
-Fe (Zr), выделившихся в аморфной матри-
це, был определен с помощью электронной микроскопии высокого 
разрешения и составляет около 10 нм. Исследователи большое вни-
мание уделили изучению структуры аморфной матрицы, в которую 
вкраплены наночастицы 
α
-Fe. В частности, в процессе исследования 
атомной структуры матрицы с помощью современных методов элек-
тронно-позитронной аннигиляции обнаружено в ней повышенное со-
держание атомов циркония, концентрирующихся в местах зарожде-
ния зерен ОЦК фазы 
α
-Fe (Zr).
Кристаллизация аморфных сплавов особенно активно изучается 
в связи с возможностью создания нанокристаллических ферромагнит-
ных сплавов систем Fe-Cu-M-Si-B (где M = Nb, Ta, W, Mo, Zr), имею-
щих очень низкую коэрцитивную силу и высокую магнитную прони-
цаемость, т. е. магнитомягких материалов. На основе изучения тонких 
пленок сплава Ni-Fe было показано, что мягкие магнитные свойства 
улучшаются при уменьшении эффективной магнитокристаллической 
анизотропии. Этого можно достичь, если увеличить число зерен, уча-
ствующих в обменном взаимодействии в тонких магнитных пленках. 
Иначе говоря, уменьшение размера приводит к росту обменного вза-
имодействия, уменьшению магнитокристаллической анизотропии 
и тем самым к улучшению мягких магнитных свойств. Позднее эта 
идея была реализована экспериментально путем направленной кри-
сталлизации многокомпонентных аморфных сплавов.
Мягкими магнитными материалами являются Si-содержащие ста-
ли, поэтому первоначальные попытки улучшения мягких магнитных 
свойств путем кристаллизации аморфных сплавов были выполнены 
на сплавах системы Fe-Si-B с добавками меди, но получить в этой си-
стеме сплавы с нанокристаллической структурой не удалось. Только 
введение в аморфный сплав Fe-Si-B помимо Cu добавок переходных 
металлов IV–VII групп позволило в результате кристаллизации полу-
чить наноструктуру. Кристаллизация аморфных сплавов Fe-Cu-Nb-

---

116