Способ получения аморфного состояния вещества и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к изменению физической структуры элементов, преимущественно цветных и черных металлов и их сплавов. Предложенный способ получения аморфного состояния вещества включает нагрев вещества до его плавления и приложение внешнего давления сжатия, затем резкое охлаждение и уменьшение давления сжатия, что приводит его в твердое аморфное состояние. Устройство для реализации способа содержит подпружиненный на основании с нагревателем трубчатый контейнер, в который закладывается вещество и вставляется шток с полостью для подачи охлаждающего элемента. Предложенный способ и конструкция позволяют получать аморфное состояние вещества высокой плотности и образцы необходимой формы. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к изменению физической структуры элементов, преимущественно цветных и черных металлов и их сплавов.

Известен способ и устройство получения аморфного состояния вещества / Справочник по физике. Яворский Б.М, Детлаф А.А.- М.: Наука, 1968, 940 с., стр. 286-290/, включающие нагрев вещества до его плавления и быстрое охлаждение разливкой в охладитель, а также перевод вещества в иное фазовое состояние /Фазовые диаграммы элементов при высоком давлении. Тонков Е.Ю. - М.: Наука, 1979, 192 с. (стр.42 и 78) / путем внешнего изостатического сжатия.

Известен способ изготовления материала /Пат. 2083717, C 22 F 1/14, 13.06.95 г. Бюл. N 19(11 ч) от 10.07.97/, в котором производят деформацию сплава и последующий отжиг для упорядочения сплава.

Известен также способ обработки деталей /Пат. 3. 95122527/02 от 22.12.95 г. , C 22 F 3/00. Бюл. N 24 (1 ч) от 27.08.97/, в котором материал детали подвергают высокотемпературному импульсному нагреву плазмой.

Известен также способ получения аморфных металлических материалов /Авторское свидетельство СССР N 1092001, кл. С 22 F 1/00, 20.05.1983/, как наиболее близкий по способу осуществления и достигаемому техническому решению, в котором нагрев смеси порошков и последующее охлаждение проводят под давлением 2.5-8 ГПа, причем охлаждение до комнатной температуры проводят со скоростью 1100-1600 град/с, после чего давление снижают до атмосферного.

Недостатком способа и устройства являются невозможность получения вещества в аморфном состоянии в виде правильной геометрической формы и высокой плотности для последующего его использования.

Задача изобретения - получение образца аморфного материала высокой плотности и необходимой формы.

Задача решается тем, что в известном способе получения аморфного состояния вещества, включающем прикладывание внешнего давления сжатия, нагрев вещества до его плавления, последующее быстрое охлаждение, уменьшение давления сжатия и перевод вещества в нормальные условия, внешнее давление сжатия прикладывают к веществу после нагрева.

Задача решается тем, что в известном устройстве для получения аморфного состояния вещества, содержащем контейнер, нагревающий и охлаждающий вещество элементы, контейнер снабжен осевым подвижным штоком с полостью, в которую вводится охлаждающий элемент, ребрами жесткости и отверстиями для отвода нагретого охлаждающего элемента, причем он выполнен трубчатым и размещен на пружине на основании.

Предложенная совокупность признаков способа и устройства позволяет обеспечить получение образцов аморфного материала высокой плотности и необходимой формы.

Изобретение поясняется фиг. 1, на которой показан разрез устройства для реализации способа получения аморфного состояния вещества, и двумя примерами реализации способа и устройства на базе диаграмм состояния конкретных веществ: селена - фиг. 2 и кремния - фиг.3, как различных вариантов схем фазовых переходов.

Способ получения аморфного состояния вещества осуществляется следующим образом.

Вариант 1 (фиг. 2), когда температура плавления вещества увеличивается с повышением давления его изостатического сжатия ((dP/dT) > 0, V_ж > V_ТТ). Вещество (например, селен, Se) предварительно сжимают для обеспечения контакта поверхностей т.1, затем нагревают до температуры плавления вещества т.2, интенсивно повышают давление сжатия до т.5, при этом при прохождении границы фазового равновесия (плавления) в т.3 происходит отдача теплоты плавления и происходит переход в т.4 (условно, т.к. динамические процессы могут сопровождаться явлениями перегрева и переохлаждения) и понижают температуру т. 6 для закрепления твердого аморфного состояния вещества с последующим снижением давления и температуры до нормального состояния т.0.

Вариант 2 (фиг. 3), когда температура плавления уменьшается с повышением давления (dP/dT < 0, V_ж < V_ТТ). Вещество (например, кремний. Si) предварительно сжимают т.1, повышают температуру, не обязательно до его плавления т. 2, повышают давление сжатия до т.5, при этом с достижением P т.3 происходит отбор теплоты плавления т.4, вещество плавится и переходит в жидкое состояние т.5. Далее: вариант 1 - резко понижают температуру т.6 до затвердевания вещества и переводят его в нормальные условия т.0. Вариант 2 - понижают температуру и давление единовременно от т.5 к т.7 вещество затвердевает, отдавая тепло т.8, и переходит в (твердое) аморфное состояние, т.9 охлаждается т. 10 (т.к. сброс давления можно осуществить быстрее снижения температуры - чисто технически) и переводят вещество в нормальные условия (P = 1 атм, T = 25^oC) в аморфном состоянии.

Устройство содержит трубчатый контейнер 1, установленный на пружину 2 на основании 3, внутри которого размещен нагреватель 4, нагревающего элемента 5, а также шток 6 с ребрами жесткости 7 и отверстиями 8, для подвода и отвода нагретого охлаждающего элемента 9, подаваемого от охладителя 10 к веществу 11.

Устройство работает следующим образом. На пружину 2 основания 3 устанавливается контейнер 1, в который закладывается (засыпается) вещество 11 и вставляется шток 6, через который от внешнего источника давлением P производится предварительное сжатие вещества 11, контейнер 1 при этом осаживается на пружине 2 вместе со штоком 6. Включают нагревательный элемент 5, через который нагреватель 4 разогревает вещество 11 до необходимой температуры, затем увеличивается давление P до необходимой величины, делается выдержка до необходимой релаксации процессов фазового перехода в веществе, отключается нагреватель 4, через охладитель 10 (например, воронка) в полость штока 6 подается охлаждающий элемент 9 (например, жидкий азот или вода), который, испаряясь через отверстия в ребрах жесткости 7 и штока 6, улетучивается в атмосферу, снижают давление Р. После полного испарения охладителя 9 в штоке 6 извлекают вещество 11 с - новым аморфным состоянием. Устройство готово для следующего цикла.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного способа и конструкции, является возможность получения аморфного состояния вещества высокой плотности и образцов необходимой (правильной) формы.

Формула изобретения

1. Способ получения аморфного состояния вещества, включающий прикладывание внешнего давления сжатия, нагрев вещества до его плавления, последующее быстрое охлаждение, уменьшение давления сжатия и перевод вещества в нормальные условия, отличающийся тем, что внешнее давление сжатия прикладывают к веществу после нагрева.

2. Устройство для получения аморфного состояния вещества, содержащее контейнер, нагревающий и охлаждающий вещество элементы, отличающееся тем, что контейнер снабжен осевым подвижным штоком с полостью, в которую вводится охлаждающий элемент, ребрами жесткости и отверстиями для отвода нагретого охлаждающего элемента, причем он выполнен трубчатым и размещен на пружине на основании.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3