Hợp kim phi tinh thể là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Định nghĩa hợp kim phi tinh thể

Hợp kim phi tinh thể (amorphous alloy), còn được biết đến với tên gọi kim loại thủy tinh (metallic glass), là một loại vật liệu kim loại có cấu trúc nguyên tử không trật tự dài hạn. Không giống như hợp kim truyền thống có mạng tinh thể định kỳ, các nguyên tử trong hợp kim phi tinh thể được sắp xếp ngẫu nhiên, tương tự như cấu trúc của chất lỏng bị đóng băng nhanh chóng.

Cấu trúc phi tinh thể được hình thành do quá trình làm nguội cực nhanh từ pha lỏng, khiến các nguyên tử không kịp sắp xếp lại theo dạng tinh thể. Kết quả là vật liệu thu được có cấu trúc rối loạn đồng nhất và không có ranh giới hạt – đặc điểm vốn thường dẫn đến khuyết tật trong vật liệu tinh thể.

Hợp kim phi tinh thể sở hữu nhiều đặc tính vượt trội như giới hạn đàn hồi lớn, độ bền kéo cao, chống ăn mòn tốt và từ tính ưu việt trong một số hệ hợp kim. Những đặc tính này khiến chúng trở thành vật liệu tiềm năng trong các ngành công nghiệp công nghệ cao, điện tử, y sinh và năng lượng.

Cấu trúc nguyên tử và đặc điểm vật lý

Cấu trúc nguyên tử của hợp kim phi tinh thể là không trật tự và không tuần hoàn, trái ngược hoàn toàn với mạng tinh thể định kỳ của hợp kim truyền thống. Cấu trúc này khiến vật liệu không có ranh giới hạt, mặt trượt hay vùng ứng suất tập trung – các yếu tố thường dẫn đến phá hủy trong kim loại tinh thể.

Sự đồng nhất ở cấp nguyên tử giúp hợp kim phi tinh thể đạt được một số đặc điểm vật lý nổi bật:

• Mật độ khuyết tật gần như bằng 0
• Độ bền kéo và độ cứng cao hơn nhiều so với hợp kim tinh thể
• Không có sự phân lớp hạt nên chống mài mòn tốt
• Độ đàn hồi cao, giới hạn đàn hồi có thể đạt 2%–3%

Bảng so sánh một số đặc điểm vật lý giữa hợp kim phi tinh thể và hợp kim tinh thể:

Thuộc tính	Hợp kim phi tinh thể	Hợp kim tinh thể
Giới hạn bền kéo	1500–2500 MPa	500–1200 MPa
Độ giãn dài trước đứt	< 2%	5–30%
Độ cứng Vickers	> 500 HV	200–400 HV
Cấu trúc nguyên tử	Vô định hình	Có trật tự định kỳ

Phương pháp chế tạo hợp kim phi tinh thể

Để tạo ra hợp kim phi tinh thể, cần ngăn chặn sự kết tinh của kim loại trong quá trình làm nguội. Điều này được thực hiện bằng cách làm nguội nóng chảy với tốc độ cực cao, thường từ $10^5$ đến $10^6$ K/s. Ở tốc độ làm nguội này, các nguyên tử không có đủ thời gian để sắp xếp thành mạng tinh thể, dẫn đến sự hình thành cấu trúc phi tinh thể.

Các kỹ thuật phổ biến để chế tạo vật liệu phi tinh thể gồm:

• Melt Spinning: Dung dịch kim loại được phun lên trống quay có bề mặt làm mát nhanh, tạo thành dải mỏng phi tinh thể.
• Suction Casting: Hợp kim lỏng được hút vào khuôn bằng áp suất âm để tạo thành mẫu khối có kích thước lớn.
• Splat Quenching: Một lượng nhỏ kim loại lỏng được làm nguội nhanh giữa hai đế kim loại phẳng.

Việc chế tạo thành công hợp kim phi tinh thể ở dạng khối (Bulk Metallic Glass – BMG) đòi hỏi hệ hợp kim phải có khả năng tạo thủy tinh cao và kiểm soát chính xác tốc độ làm nguội cũng như môi trường gia công không có tạp chất.

Thành phần hóa học và khả năng tạo thủy tinh

Không phải mọi hệ hợp kim đều có khả năng tạo cấu trúc phi tinh thể. Khả năng này phụ thuộc vào sự chênh lệch kích thước nguyên tử, độ âm điện, năng lượng liên kết và số lượng nguyên tố thành phần trong hợp kim. Quy tắc Inoue chỉ ra ba điều kiện chính để một hợp kim có khả năng tạo thủy tinh khối:

1. Hợp kim phải có ít nhất ba nguyên tố trở lên
2. Chênh lệch bán kính nguyên tử giữa các nguyên tố lớn hơn 12%
3. Năng lượng phối hợp giữa các nguyên tố phải đủ lớn để ngăn kết tinh

Các hệ hợp kim có khả năng tạo thủy tinh cao được sử dụng phổ biến hiện nay gồm:

• Fe–Si–B: Dùng cho vật liệu từ mềm, hiệu suất cao
• Zr–Ti–Cu–Ni–Be: Hợp kim khối lớn, siêu bền
• Pd–Ni–P: Dễ gia công, khả năng chống ăn mòn tốt
• Mg–Cu–Y: Nhẹ, ứng dụng trong thiết bị di động

Hàm lượng các nguyên tố trong hợp kim cần được kiểm soát chính xác để đảm bảo khả năng chống kết tinh trong suốt quá trình làm nguội. Ngoài ra, môi trường sản xuất phải được giữ sạch tuyệt đối để tránh nhiễm tạp chất làm tăng điểm kết tinh của hệ.

Tính chất cơ học vượt trội

Hợp kim phi tinh thể có độ bền kéo và độ cứng rất cao do không có mặt trượt, ranh giới hạt hoặc khuyết tật tinh thể vốn là điểm yếu trong hợp kim truyền thống. Điều này giúp các hợp kim này chịu được tải trọng lớn mà không biến dạng dẻo như các kim loại thông thường.

Độ bền kéo (ultimate tensile strength) của hợp kim phi tinh thể có thể vượt qua 2000 MPa. Một số hệ như Zr–Cu–Ni–Al có thể đạt đến 2400 MPa, vượt xa so với thép hợp kim cao. Giới hạn đàn hồi cũng lớn hơn rất nhiều – có thể đạt 2–3% so với mức 0.2–0.5% của thép không gỉ.

$\sigma_{\text{UTS}} > 2 \, \text{GPa}$

Tuy nhiên, vật liệu này có xu hướng phá hủy giòn dưới tải trọng cao do sự hình thành và phát triển của shear bands – những vùng tập trung ứng suất cục bộ. Điều này gây ra đứt gãy nhanh chóng mà không có dấu hiệu biến dạng dẻo.

Ứng dụng trong kỹ thuật và công nghiệp

Hợp kim phi tinh thể đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ vào tổ hợp đặc tính cơ học, từ tính và chống ăn mòn vượt trội. Trong lĩnh vực điện và điện tử, chúng được dùng làm lõi từ cho máy biến áp hiệu suất cao, giúp giảm tổn thất năng lượng do dòng xoáy và tổn hao từ trường.

Các ngành công nghiệp đang ứng dụng hợp kim phi tinh thể gồm:

• Điện – năng lượng: Máy biến áp tiết kiệm năng lượng, lõi cuộn cảm, vật liệu từ mềm
• Điện tử tiêu dùng: Vỏ đồng hồ, điện thoại cao cấp nhờ chống xước và nhẹ
• Y tế: Dao mổ, thiết bị cấy ghép nhờ khả năng chống ăn mòn sinh học
• Hàng không – vũ trụ: Bộ phận siêu bền chịu lực và cách nhiệt cao

Các sản phẩm thương mại sử dụng vật liệu này có thể kể đến như lõi biến áp amorphous của Hitachi Metals và vỏ đồng hồ Apple Watch Series 5 dùng hợp kim phi tinh thể của Vitreloy.

Tính chất từ và ứng dụng từ mềm

Nhiều hợp kim phi tinh thể như Fe–Si–B, Fe–Co–Nb–B có độ thấm từ cao và tổn hao từ thấp nhờ cấu trúc không có ranh giới hạt. Điều này giúp chúng dễ dàng được từ hóa và khử từ với tổn hao năng lượng cực thấp – đặc tính lý tưởng cho vật liệu từ mềm.

$\mu_r \gg 10^4, \quad H_c \approx 1\, \text{A/m}$

Ứng dụng chính:

• Lõi biến áp hiệu suất cao, đặc biệt trong điện lưới thông minh
• Cuộn cảm điện tử, cảm biến từ, bộ khử nhiễu điện từ (EMI filters)
• Thiết bị năng lượng tái tạo như bộ chuyển đổi inverter

Do khả năng giảm tổn hao điện năng đến 70% so với lõi thép truyền thống, các hợp kim từ mềm phi tinh thể đang dần thay thế vật liệu silic trong công nghệ điện mới.

So sánh với hợp kim tinh thể truyền thống

Sự khác biệt giữa hợp kim phi tinh thể và tinh thể thể hiện rõ trong cơ lý tính và khả năng ứng dụng. Bảng sau tóm tắt các điểm chính:

Tiêu chí	Hợp kim phi tinh thể	Hợp kim tinh thể
Cấu trúc nguyên tử	Vô định hình, không tuần hoàn	Trật tự dài hạn
Giới hạn bền kéo	1500–2500 MPa	500–1200 MPa
Giới hạn đàn hồi	2–3%	0.2–0.5%
Khả năng chống ăn mòn	Rất cao	Trung bình
Tính chất từ	Rất tốt (từ mềm)	Phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể
Chi phí sản xuất	Cao	Thấp hơn

Hướng nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu về hợp kim phi tinh thể đang tiếp tục mở rộng với các hướng như chế tạo hợp kim khối lớn (bulk metallic glass – BMG), vật liệu siêu bền hoặc vật liệu composite lai tinh thể–phi tinh thể. Mục tiêu là tăng tính dẻo, kháng phá hủy giòn và khả năng gia công.

Các hướng nghiên cứu chính bao gồm:

• Phát triển hợp kim có đường kính đúc lớn (>10 mm) với khả năng tạo thủy tinh cao
• Phân tích động học kết tinh và khả năng chống kết tinh qua mô hình hóa nhiệt động học
• Ứng dụng công nghệ in 3D kim loại để tạo cấu trúc vi mô phi tinh thể phức tạp

Các tổ chức nghiên cứu như Bulk Metallic Glass Group – UCSB và Viện Fraunhofer của Đức đang dẫn đầu trong phát triển ứng dụng công nghiệp từ vật liệu này.

Tài liệu tham khảo

1. Inoue, A. (2000). Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys. Acta Materialia, 48(1), 279–306.
2. Greer, A. L. (1995). Metallic glasses. Science, 267(5206), 1947–1953.
3. Hitachi Metals – Amorphous Metal Products
4. Bulk Metallic Glass Group – UCSB
5. Wang, W. H., Dong, C., & Shek, C. H. (2004). Bulk metallic glasses. Materials Science and Engineering: R, 44(2–3), 45–89.