A kvázikristályok (QC) felfedezését 1984-ben, 15 éve publikálták. (1, 2) A QC szokatlan szimmetria tulajdonságai ma is még élénken foglalkoztatják a kutatókat. A QC bár rendezett egységekből épülnek fel, azaz hosszú távú rendezettséget mutatnak, szerkezetük aperiodikus, azaz nélkülözik a transzlációs szimmetriát. A transzmissziós elektron mikroszkóp (TEM) nélkül lehetetlen lett volna az elsőként felfedezett kvázi-periódikus ikozaéderes fázist i-fázist megtalálni, hiszen egészen kicsi (néhány nanométeres) anyagtartományok szerkezete és összetétele csak ezzel az eszközzel vizsgálható. A QC fázisok különleges intermetallikus fázisok. Termodinamikai stabilitásukat a Hume-Rothery szabályok felhasználásával értelmezzük, ezúton azonban azt a kérdést, hogy milyen összetételu fázisokból keletkezhetnek QC nem tudjuk megválaszolni.(3) Újabban egy új elgondolás, a klaszter elmélet válik mind elfogadottabbá. Eszerint a QC esetében a méretek és összetételek összhangjának kialakításában az atomok szerepét atomokból felépült klaszterek vehetik át. (4) Ezek a klaszterek az atomokhoz hasonló stabil építőelemeket szolgáltathatnak. A QC-kel foglalkozó kutatók a legkülönbözőbb tudomány ágakhoz tartoznak. Az anyagtudománnyal foglalkozók számára a legfontosabb kutatási cél ezen korábban ismeretlen anyagállapot hasznosítása. A sikeres hasznosítás azonban nem csupán az adott anyag reprodukálható előállítási folyamatának kidolgozását és a szerkezet és összetétel meghatározását követeli meg. Nagyon fontos az adott anyag fizikai tulajdonságainak (keménységének, rugalmassági tulajdonságainak, elektromos és hővezető-képességének, optikai jellemzőinek stb.) továbbá az úgynevezett használati tulajdonságainak a megismerése is, mint például a kopásállóság vagy a korróziós tulajdonságok.

A QC-kel kapcsolatosan az elmúlt 15 évben több ezer elméleti és kísérleti tárgyú publikáció jelent meg. A kezdetben elsősorban az alumínium ötvözeteire korlátozódott anyagféleségek ma már az összetétel széles skálájára terjednek ki. A közlemények túlnyomó többsége a szerkezet meghatározás elméleti és kísérleti kérdéseivel foglalkozott. Nagyon sok írásban találkozunk a QC előállításának különböző technikáival. A QC előállításához szinte minden olyan technológiát alkalmaztak, amely üvegfémek és amorf anyagok előállításánál bevált: folyadékok gyors megszilárdításának különböző eljárásai, szilárd anyagok szimultán vákuumpárologtatása és porlasztása, szilárd anyagok egymást követő vákuumpárologtatása és porlasztása; különböző szilárd fázisú reakciók alkalmazása multirétgek párologtatása és hőkezelése útján, ionimplantáció, ionsugaras bombázás, vagy mechanikai ötvözés segítségével; vékony rétegek, felületek lézer- vagy elektronsugaras megolvasztásával, különböző módon zúzott vagy porított termékek plazmaszórásának útján. A stabil QC esetében az előállítás és az alkalmazás szempontjából igen fontos lehetősége: a különböző hagyományos öntési technológiák.

A QC fizikai tulajdonságainak kutatása (5) főképpen akkor tudott kibontakozni, amikor már egyes ötvözetekből jóminőségu QC egykristály mintákat is elő tudtak állítani. A QC fontos vonása, hogy Fermi szintjükön álhiány (pszeudogap) található, ami a felületükön is megmutatkozik. (XPS, UPS) Elektromos ellenállásuk (r ) rendellenesen nagy és általában negatív a hőmérsékleti tényezőjük. Ugyanabban az ötvözetben r nagy mértében függ az ötvözet összetételétől. Egy adott ötvözet i-fázisának r -je jóval nagyobb, mint az amorf(a) változaté. r drasztikusan csökken a minta szerkezeti minőségének romlásával. A QC termikus diffúziós tényezője (a ) általában sokkal kisebb, mint a kristályos(k) alumínium ötvözötteké. E tényező hőmérsékletfüggése is éppen ellenkező fenti ötvözetekével. Ha megnöveljük a hőmérsékletet, akkor a QC ötvözetek a értékei megnőnek. Ezek az eredmények azt sugallják, hogy a QC-et feltehetően hőszigetelőkként alkalmazhatjuk. Nagyobb hőmérsékleteken egyes QC ötvözetek esetében szuperplasztikus viselkedést állapítottak meg.

A mágneses tulajdonságok tekintetében ugyanazon ötvözetek QC változatai nem mutattak alapvető eltérést az (a) vagy (k) anyaghoz képest. Az optikai vezetőképesség maximumot mutat a közeli infravörös tartományban. Minden stabil és nagymértékben rendezett i-QC reflexiója 0.5 - 0.6 és lényegében hullámhossz független 20m m-300nm-ig. (6)

Termodinamikailag stabil kvázikristályok tömbi anyagainak mechanikai vizsgálatai szerint a QC anyagok szokatlanul kemények (7), nem különlegesen ridegek, mechanikai tulajdonságaik általában a kristályos kerámiai anyagokhoz hasonlíthatók.

Éppen a QC anyagok különleges szerzete folytán kitüntetett érdeklődés tapasztalható a QC deformációs mechanizmusa iránt. A QC-ben nagy feszültségek vannak, mivel a diszlokációk mozgása nagyon gátolt. Bizonyították a QC plasztikus deformálhatóságát.(8) Egyes különleges esetekben, nagy hőmérsékleteken a deformációs mechanizmus lényeges részét képezte az i-szemcsék és a feszültség következtében keletkezett kristályos megfelelőik fázisközi (interphase) csúszása.

A QC alkalmazása akkor kezdett realitássá válni, amikor 1987-ben felfedezték a stabil Al-Cu-Fe kvázikristályokat (9), bár a metastabil fázisoknak is lehet néhány alkalmazási lehetősége.

Japán kutatók szobahőmérsékleten meglepően nagy szakítószilárdságot (960-1320 Mpa) és jó nyúlást észleltek i-fázissal keményített AlMn(4-6at%)Ce(1-3at%) ötvözetek esetében. A kedvező hatást az fcc Al -ba ágyazott 5-100 nm-es i-fázisoknak tulajdonították.

Az elmúlt évtizedben az anyagtudományok egyik leggyorsabban fejlődő területe éppen a bevonatok területe. Kopás ellen és korrózió védelem céljából termikusan szórt Al-Cu-Fe ötvözetekkel vontak be lágy hordozókat. (11) Ezen bevonatok előnyös tulajdonságai részben a már korábban felsoroltakból következnek: nagy keménység (12), kis súrlódási együttható, kis hővezetőképesség, oxidációval és korrózióval szemben jó ellenállóképesség (13), tapadást gátló tulajdonság.

Atomizált Al₆₅Cu₂₀Fe₁₅ porokból plazma szórt rétegek sokkal egyenletesebb összetételűek, mint a zúzott tömbi anyag felszórásakor nyert megfelelőik. Száraz oxigén atmoszférában 500-700° C között ellenállnak az oxidációnak (14).

Jelenleg még gondot okoz a célra alkalmas nagyon vékony (8-15nm) rétegek előállítása. Egy nagyságrenddel vastagabb rétegek már előállíthatók. Különböző összetételu QC vékonyrétegek előállításához hazai kutatók is eredményes eljárásokat dolgoztak ki.(16)

Napjainkban a QC kutatása már nem csupán egy érdekes tudományos kutatási terület, a QC gyártható anyagok, amelyeknek vannak már és küszöbön állnak különböző alkalmazásai.

1. Shechtman D., Blech I., Gratias D. and Cahn J.W., 1984 Phys. Rev. Lett. 1951, (1984)
2. Csanády A., Fizikai Szemle, 1988/ 1, 10.
3. Janot C., Quasicrystals, Clarendon Press, Oxford, 1994.
4. Khanna S. N. , Janot C., Cyrot-Lackmann F., Proc. of the 5^th Int. Conf. on Quasicrystals, World Scientific, 1995, Ed. Janot C. and Mosseri R., 401.
5. Ishimasa T. and Mori M., Phil. Mag. Lett., 62, 357 (1990)
6. Mackó D. and Kasparkova M., Phil. Mag Lett., 67, 307 (1993)
7. Wittmann R., Urban K., Schandl, M. and Hornbogen E., J. Mater. Res. 6/ 6,1165 (1991)
8. Köster U., Liu W., Lieberz H. and Michel M., J. of Non-Crystalline Solids, 153-154, 446 (1993)
9. Tsai A. P., Inoue A. and Masumoto T., Jap. J. Appl. Phys., 26, L1505 (1987)
10. Inoue A., Watanabe M., Kimura H.M., Takahashi F., Nagata A., Masumoto T., Mater. Trans. JIM, 8, 723 (1992)
11. Dubois J. M., Kang S.S., Von Stebut J., J. of Mat. Sci. Letters, 10, 537 (1991)
12. Csordás-Pintér A., Csanády Á., Stefániay V., Sajó I., Tóth L., Lovas A. and Konczos G. The IV^th European Conference on Advanced Materials and Processes, Padova Venice, Italy, 25-28. Sept., 1995, Proc. E. 407-412.
13. Csanády Á., Stefániay V., Griger Á., Tomcsányi L. és Albert B., Proceedings of the 8^th ILMC Leoben 22/ 23 6 1987, 486, Aluminium Verlag Düsseldorf
14. Sordelet D.J., Kramer M.J., Anderson I. E. és Besser M.F., Proceedings of the 5^th Int. Conf. on Quasicrystals, 1995, Ed. Janot C. and Mossery R., 778.
15. Eisenhammer T., Mahr A., Haugeneder A., Reichelt T., Assmann W., Proceedings of the 5^th Int. Conf. on Quasicrystals, 1995, Ed. Janot C. and Mossery R., 758.
16. Csanády Á., Barna P.B., Radnóczi G. and Urban K., Materials Science Forum, 617 Vol, 22-24, 617 (1987)

VISSZA

Copyright © 2000
Magyar Anyagtudományi Egyesület