Металлические стёкла это металлы/сплавы без традиционной кристаллической структуры, по сути, застывшая жидкость однородный аморфный материал, похожий в данном аспекте на классические оконные стёкла. Получены во второй половине 20 в., однако бум исследований начался в конце 90-х прошлого и начале 00-х гг. текущего века, когда были получены массивные отливки, названные объёмными металлическими стеклами (см. рисунок ниже), а интерес к ним связан с целым спектром необычных и выдающихся свойств данного материала
"Металлические стёкла (метстёкла) обладают в среднем в 2 раза большими прочностью по сравнению с кристаллическими сплавами близкого химического состава (параметры зависят от конкретных сплавов) и упругостью, более высокой коррозионной стойкостью (в т.ч. по отношению к кислотам, морской воде), повышенными твердостью и износостойкостью. Это обуславливается тем, что в металлических стёклах нет зёренной кристаллической структуры и т.н. границ зёрен, из которых состоят типичные кристаллические материалы, в частности, металлы. В чём же преграда в их массовом распространении? Дело в том, что известные на сегодня метстекла обладают низкой пластичностью, особенно в виде макроскопических изделий. Не секрет, что даже обыкновенное оконное стекло можно деформировать, например, гнуть, до определённого предела. Происходящая деформация, не вызывающая разрушения стекла и позволяющая ему вернуться в исходную форму после прекращения внешнего воздействия, называется упругой деформацией. По достижении же определённого предела материал больше не может деформироваться упруго и начинается пластическая деформация. В обыкновенном стекле такая деформация моментально приводит к его разрушению. Кристаллический металл (или сплав нескольких металлов), наоборот, может легко гнуться, деформироваться, абсорбируя энергию внешнего воздействия. Металлические стекла занимают промежуточное положение между кристаллическим металлом (сплавом), который очень вязкий и может легко деформироваться, и оконным стеклом, которое не может деформироваться пластически", - сказал профессор Лузгин
"Задача, которая стоит перед объединённой исследовательской группой, это повысить пластичность и вязкость разрушения объёмных металлических стёкол, сделав их более устойчивыми к разрушению при деформации. Наши предыдущие исследования показали, что определённых результатов можно достичь совершенствованием состава самого стекла. Однако недавно мы обнаружили, что гораздо удобнее произвести новый класс материалов, т.н. материалы-гибриды. Это двухфазные соединения типа металлическое стекло-металлический кристалл, металлическое стекло-полимер, металлическое стекло- квазикристалл. В этом случае материал сочетает свойства и металлического стекла с его прочностью, твердостью и износостойкостью, и пластичность металлического кристалла или полимера. Если мы комбинируем металлическое стекло и полимер, то получаем дополнительно такие свойства, как меньший вес материала и, соответственно, его большую удельную прочность”, - отметил проф. Лузгин
Усилия группы учёных из порядка 30 специалистов будут сконцентрированы, в первую очередь, на лёгких металлах с высокой удельной прочностью, в частности, на сплавах титана и магния. “В своей работе мы также стремимся уйти от использования дорогих материалов в составе, что в конечном итоге позволит решить ещё один вопрос на пути массового внедрения металлических стёкол, это проблема их высокой стоимости. С активизацией интереса к данному классу материалов в 90-х гг. поначалу в его составе использовались палладий, лантан, цирконий, что существенно увеличивало стоимость конечной продукции, влияя на ход исследований в области метгласов и замедляя применение данных материалов”, - сказал Дмитрий Лузгин
Металлические стёкла являются перспективным материалом для аэро-космической отрасли, автомобилестроения, микромеханики (в т.ч. для часов, смартфонов, микромоторов и др. устройств, где важна высокая износостойкость и высокое качество поверхности), уже сегодня из метстекол делают спортивные товары, в т.ч. клюшки для гольфа, ракетки и др. В силу своей высокой коррозионной стойкости металлические стёкла из титана проходят испытания в качестве имплантатов в медицине, а также для изготовления хирургического инструмента
Впервые металлические стёкла были получены в 40-х гг. 20 в. методами электролитического осаждения металлов из растворов и вакуумного низкотемпературного напыления. Исследования показали, что данные материалы не имеют кристаллического строения, т.е. являются металлическими стёклами. Однако начало активному изучению аморфных металлов было положено в 1960 г., когда в Калифорнийском технологическом институте (США) группой под руководством профессора Дюве (англ. Pol Duwez) было получено металлическое стекло Au75Si25. Большой научный интерес к теме стал проявляться с 70-х гг. 20 в., с появлением технологии получения металлических лент толщиной в десятки микрометров, первоначально в США и Японии, а вскоре — в Европе, СССР и КНР
Однако расцвет исследований пришёлся на 90-е гг. прошлого века, когда удалось получить первые отливки объёмных металлических стёкол размером от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в каждом из пространственных измерений. Возросший интерес к теме метстёкол был связан в т.ч. с наступившим в конце 20 в. «насыщением» в области материаловедения кристаллических сплавов. Всё большие интеллектуальные и финансовые вложения приносили всё меньшую отдачу, и исследователи с производителями были вынуждены искать новые сферы приложения усилий. Вначале объёмные металлические стёкла изготавливали на основе дорогого палладия, потом лантана (совершенно неконструкционного материала - прим. авт.), затем циркония. В 2000-х гг. объёмные металлические стёкла начали получать из относительно недорогих титана и магния
Металлические стёкла изначально не существуют в природе как отдельный материал, на сегодняшний день есть следующие основные способы их получения
1. Осаждение газообразного металла
o? Вакуумное напыление
o? Магнетронное распыление
o? Химические реакции в газовой фазе
2. Затвердевание жидкого металла
o? Затвердевание из жидкого состояния – метод наиболее удобный для получения больших объёмов материала, в том числе объёмных металлических стёкол
3. Нарушение кристаллической структуры твёрдого металла
o? Облучение частицами
o? Воздействие ударной волной
o? Ионная имплантация
4. Электролитическое осаждение из растворов
Грант профессора Лузгина (управляемый при поддержке лаборатории др-а Солонина, МИСиС) рассчитан на 2 года с возможностью продления. Развиваться проект будет на базе Института новых материалов и нанотехнологий МИСиС, при участии кафедры “Металловедение цветных металлов”, а также лабораторий “Зондовая микроскопия” и “Сканирующая туннельная микроскопия” Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова
О проф. Дмитрии Лузгине
Профессор, доктор технических наук, индекс Хирша 28. Профессиональная деятельность проф. Лузгина и его коллектива связана с изучением структуры, механизмов формирования, фазовых превращений, деформации объёмных металлических стёкол, наноструктурных материалов и материалов, имеющих смешанную структуру, а также их механических и прочих физических свойств. Имеет многолетний опыт в различных видах техники структурного анализа, в частности, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) стеклообразных и наноструктурированных материалов, включая дифракцию от нанообъектов и получения изображений ПЭМ с высоким разрешением. Выполняет анализ картин дифракции рентгеновских лучей синхротронного излучения, включая построение функции радиального распределения для аморфных сплавов
Профессиональная деятельность
• 2007-н.в. - профессор, заведующий лабораторией, Университет Тохоку, Япония
• 2005-2007 - адъюнкт-профессор, заместитель заведующего лабораторией, Университет Тохоку, Япония
• 1998-2005 - научный сотрудник, Университет Тохоку, Япония.
Образование
• 1995-1998 - аспирант, Университет Тохоку, Япония.
• 1991-1994 - аспирант, МИСиС
• 1984-1991 – студент, МИСиС
Научные публикации
Более 300 научных статей в ведущих международных журналах, несколько глав в монографиях, принимал участие во множестве международных конференций в качестве приглашенного докладчика
"