Tổng hợp vật liệu phi tinh thể hệ Al-TM/RE bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật vật liệu tổng hợp phi tinh thể hệ Al-TMRE qua phương pháp hợp kim hóa cơ học, mở ra hướng đi mới trong vật liệu.

• Tác giả: Đỗ Nam Bình
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hoàng Việt
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
• Đề tài: Tổng hợp vật liệu phi tinh thể hệ Al-TM/RE bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU PHI TINH THỂ
• 1.1. Vật liệu cấu trúc vô định hình
• 1.2. Phân loại vật liệu vô định hình
• 1.3. Các đặc trưng của vật liệu cấu trúc VĐH
• 1.4. Cấu trúc của thủy tinh kim loại
• 1.5. Các tính chất của thủy tinh kim loại
• 1.6. Khả năng hình thành thể thủy tinh (GFA)
• 1.7. Tiêu chí Inoue hình thành vật liệu khối cấu trúc VĐH
• 1.8. Ứng dụng hợp kim vô định hình
• 1.9. Các phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình
• 1.10. Giả tinh thể
• 1.11. Cấu trúc của QC
• 1.12. Các dạng (biến thể - variation) của QC
• 1.13. Tính chất và ứng dụng
• 1.14. Một số phương pháp chế tạo QC
• 1.15. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.16. Hệ hợp kim vô định hình cơ sở Al
• 1.17. Hệ hợp kim giả tinh thể Al-Fe-Cu
• 1.18. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.19. Tóm tắt chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
• 2.1. Nguyên liệu ban đầu
• 2.2. Thiết bị nghiền
• 2.3. Máy nghiền bi hành tinh
• 2.4. Quy trình tổng hợp vật liệu
• 2.5. Tổng hợp vật liệu vô định hình
• 2.6. Tổng hợp hợp kim giả tinh thể
• 2.7. Xử lý nhiệt mẫu
• 2.8. Thiết bị phân tích
• 2.9. Nhiễu xạ kế tia X và xử lý dữ liệu XRD
• 2.10. Đặc trưng hình thái học mẫu bột
• 2.11. Đặc trưng nhiệt của mẫu - phân tích nhiệt lượng kế quét vi sai
• 2.12. Đặc trưng phân bố kích thước hạt
• 2.13. Xác định tính chất từ
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp hợp kim vô định hình bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học
• 3.2. Quá trình vô định hình hóa của hợp kim Al₈₂Fe₁₄Ni₄
• 3.3. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim
• 3.4. Tổng hợp giả tinh thể Al-Cu-Fe bằng hợp kim hóa cơ học và xử lý nhiệt
• 3.5. Phân tích cấu trúc của hỗn hợp bột sau MA
• 3.6. Phân tích hình thái và tổ chức vi mô của bột sau MA
• 3.7. Nghiên cứu sự hình thành pha i-QC sau xử lý nhiệt
• 3.8. Tính chất từ của bột sau MA và xử lý nhiệt
• KẾT LUẬN CHUNG
• HỢP KIM VÔ ĐỊNH HÌNH CƠ SỞ AL
• TỔNG HỢP VẬT LIỆU GIẢ TINH THỂ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan vật liệu phi tinh thể Al TM RE Tiềm năng ứng dụng

Vật liệu phi tinh thể nổi lên như một lĩnh vực đầy hứa hẹn, bao gồm hai dạng chính: vật liệu vô định hình (VĐH) và giả tinh thể (QC). Luận án này tập trung vào hệ vật liệu Al-TM/RE, khai thác tiềm năng của cả hợp kim vô định hình cơ sở Al và hợp kim giả tinh thể cơ sở Al. Hợp kim VĐH, đặc biệt là hệ Al-Fe, thu hút sự chú ý nhờ độ bền riêng cao và khả năng chống ăn mòn vượt trội ở nhiệt độ cao. Hệ Al-RE (La, Y, Ce)-TM (Fe, Co, Ni) với hàm lượng Al cao (hơn 80% nguyên tử) hứa hẹn sự kết hợp độc đáo giữa độ bền và tỷ trọng thấp, mở ra nhiều ứng dụng kỹ thuật. Do không có cấu trúc tinh thể, hợp kim vật liệu phi tinh thể có những tính chất ưu việt so với hợp kim kết tinh, với độ bền cao gấp 2-3 lần hợp kim Al thông thường.

1.1. Đặc tính và ưu điểm của vật liệu phi tinh thể Al TM RE

Vật liệu phi tinh thể Al-TM/RE nổi bật với cấu trúc độc đáo, khác biệt so với vật liệu tinh thể truyền thống. Sự vắng mặt của trật tự xa và các khuyết tật mạng mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Hợp kim VĐH có độ bền cao, khả năng chống ăn mòn tốt, và tính chất từ đặc biệt. Hợp kim QC thể hiện độ cứng cao, ma sát thấp, và khả năng cách nhiệt hiệu quả. Những đặc tính này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp hàng không vũ trụ đến y sinh học. Luận án này đi sâu vào nghiên cứu các đặc tính này, đồng thời khám phá các phương pháp tổng hợp vật liệu tiên tiến để khai thác tối đa tiềm năng của vật liệu Al-TM/RE.

1.2. Giới hạn và thách thức trong nghiên cứu vật liệu phi tinh thể

Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm, vật liệu phi tinh thể vẫn đối mặt với một số thách thức. Kỹ thuật làm nguội nhanh, thường được sử dụng để chế tạo hợp kim VĐH, bị giới hạn về kích thước sản phẩm. Các phương pháp luyện kim bột đang được nghiên cứu để vượt qua giới hạn này. Hợp kim hóa cơ học (MA) nổi lên như một giải pháp tiềm năng, nhưng cần tối ưu hóa quy trình để đạt được chất lượng vật liệu mong muốn. Ngoài ra, độ ổn định nhiệt của hợp kim VĐH và QC cũng là một vấn đề cần quan tâm. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim và các phương pháp xử lý nhiệt đến độ ổn định nhiệt là rất quan trọng để mở rộng ứng dụng của vật liệu phi tinh thể Al-TM/RE.

II. Hợp kim hóa cơ học Al TM RE Phương pháp chế tạo hiệu quả

Hợp kim hóa cơ học (MA) nổi lên như một phương pháp đầy triển vọng để chế tạo hợp kim phi tinh thể, đặc biệt là hệ Al-TM/RE. MA mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống, bao gồm khả năng lựa chọn thành phần vật liệu linh hoạt, chi phí chế tạo thấp, kiểm soát quá trình dễ dàng hơn và tiết kiệm vật liệu. Sản phẩm MA thường ở dạng bột, dễ dàng tạo hình khối bằng các kỹ thuật thiêu kết và sản xuất hàng loạt. Hiện tại, các nghiên cứu về tổng hợp hợp kim vô định hình cơ sở Al bằng MA tại Việt Nam còn hạn chế, đặc biệt là các hệ Al-Fe-Ni, Al-Fe-Ni-Y và Al-Fe-Ti-Y.

2.1. Ưu điểm vượt trội của phương pháp hợp kim hóa cơ học

Phương pháp hợp kim hóa cơ học (MA) sở hữu nhiều ưu điểm so với các phương pháp tổng hợp vật liệu truyền thống. Đầu tiên, MA cho phép kiểm soát chặt chẽ thành phần hóa học của sản phẩm, từ đó điều chỉnh các tính chất vật lý và hóa học theo yêu cầu. Thứ hai, quy trình MA thường đơn giản và ít tốn kém hơn so với các phương pháp khác, đặc biệt là khi sản xuất ở quy mô lớn. Thứ ba, MA có thể sử dụng nhiều loại nguyên liệu đầu vào khác nhau, bao gồm cả phế liệu và vật liệu tái chế, góp phần bảo vệ môi trường. Cuối cùng, sản phẩm MA thường có kích thước hạt nhỏ, phân bố đồng đều, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo hình và gia công tiếp theo.

2.2. Quy trình và các yếu tố ảnh hưởng đến hợp kim hóa cơ học

Quy trình hợp kim hóa cơ học bao gồm các giai đoạn chính: chuẩn bị nguyên liệu, nghiền, và xử lý nhiệt (tùy chọn). Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình MA bao gồm: thành phần nguyên liệu, tỷ lệ bi nghiền/bột, tốc độ nghiền, thời gian nghiền, loại môi trường nghiền, và nhiệt độ nghiền. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được cấu trúc và tính chất mong muốn của vật liệu phi tinh thể. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của tốc độ nghiền và thời gian nghiền đến quá trình vô định hình hóa và sự hình thành pha giả tinh thể trong hệ Al-TM/RE.

2.3. Chất trợ nghiền và vai trò trong quá trình hợp kim hóa cơ học

Sử dụng chất trợ nghiền là một yếu tố quan trọng trong quá trình hợp kim hóa cơ học (MA). Chất trợ nghiền giúp giảm ma sát giữa các hạt bột và bi nghiền, ngăn ngừa sự kết tụ của các hạt bột và tạo điều kiện cho sự biến dạng dẻo của vật liệu. Các loại chất trợ nghiền thường được sử dụng bao gồm các loại dầu khoáng, axit béo và các hợp chất hữu cơ khác. Lựa chọn chất trợ nghiền phù hợp phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu và điều kiện nghiền. Trong nghiên cứu này, n-hexan và axit stearic được sử dụng làm chất trợ nghiền để hỗ trợ quá trình MA của hợp kim Al-TM/RE.

III. Ảnh hưởng của nguyên tố đất hiếm tới độ ổn định nhiệt Al TM

Nghiên cứu về ảnh hưởng của nguyên tố đất hiếm đến độ ổn định nhiệt của hợp kim vô định hình là một chủ đề quan trọng. Tương quan giữa cấu trúc và tính chất từ của hợp kim cũng là một vấn đề thú vị cần được khám phá. Luận án này tập trung vào nghiên cứu tổng hợp hợp kim vô định hình Al-Fe-Ni, Al-Fe-Ni-Y và Al-Fe-Ti-Y bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học.

3.1. Vai trò của nguyên tố Y trong hợp kim Al Fe Ni Y Nghiên cứu chi tiết

Nguyên tố Y đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ ổn định nhiệt của hợp kim vô định hình hệ Al-Fe-Ni-Y. Việc thêm Y vào hợp kim giúp tăng cường liên kết giữa các nguyên tử, làm chậm quá trình kết tinh và kéo dài tuổi thọ của vật liệu ở nhiệt độ cao. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định hàm lượng Y tối ưu để đạt được độ ổn định nhiệt cao nhất. Các phương pháp phân tích nhiệt (DSC) và nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để đánh giá độ ổn định nhiệt và cấu trúc của hợp kim sau các quá trình xử lý nhiệt khác nhau.

3.2. So sánh tác động của Ti và Y đến tính chất vật liệu Al Fe Ti Y

Nghiên cứu so sánh tác động của Ti và Y đến tính chất của vật liệu phi tinh thể hệ Al-Fe-Ti-Y. Cả Ti và Y đều là các nguyên tố hợp kim có khả năng cải thiện độ bền và độ ổn định nhiệt của hợp kim. Tuy nhiên, cơ chế tác động của chúng có thể khác nhau. Ti có thể tạo thành các pha cứng phân tán trong nền hợp kim, trong khi Y có thể tăng cường liên kết giữa các nguyên tử. Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp phân tích cơ học, nhiệt, và từ để đánh giá ảnh hưởng của Ti và Y đến các tính chất của hợp kim.

3.3. Cơ chế tăng cường độ ổn định nhiệt của hợp kim Al TM khi thêm RE

Cơ chế tăng cường độ ổn định nhiệt của hợp kim Al-TM khi thêm đất hiếm (RE) là một lĩnh vực nghiên cứu phức tạp. Giả thuyết phổ biến là các nguyên tố RE có kích thước nguyên tử lớn và ái lực hóa học cao với oxy, giúp ngăn chặn sự khuếch tán của oxy vào bên trong vật liệu và làm chậm quá trình oxy hóa. Ngoài ra, các nguyên tố RE cũng có thể tạo thành các pha ổn định ở biên hạt, ngăn chặn sự phát triển của các hạt tinh thể và duy trì cấu trúc vô định hình ở nhiệt độ cao. Luận án này sẽ đi sâu vào phân tích các cơ chế này thông qua các thí nghiệm và mô phỏng khác nhau.

IV. Tổng hợp và nghiên cứu giả tinh thể Al Cu Fe bằng hợp kim hóa

Giả tinh thể (QC) là một dạng vật chất độc đáo với trật tự giả tuần hoàn và đối xứng bị cấm trong tinh thể học cổ điển. Vật liệu QC có sự kết hợp độc đáo của các tính chất như độ cứng cao, năng lượng bề mặt thấp, chống mài mòn tốt, hệ số ma sát nhỏ và độ dẫn điện thấp. Hệ Al-Cu-Fe là một trong những hệ QC được nghiên cứu rộng rãi nhất. Nghiên cứu này tập trung vào tổng hợp pha i-QC (icosahedral quasicrystal - giả tinh thể khối đều 20 mặt) trong hệ Al-Cu-Fe bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học và xử lý nhiệt.

4.1. Tối ưu hóa quy trình hợp kim hóa cơ học để tạo pha giả tinh thể

Việc tối ưu hóa quy trình hợp kim hóa cơ học là rất quan trọng để tạo ra pha giả tinh thể chất lượng cao. Các yếu tố cần tối ưu hóa bao gồm: thời gian nghiền, tốc độ nghiền, tỷ lệ bi nghiền/bột, và loại môi trường nghiền. Nghiên cứu này sẽ khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố này đến kích thước hạt, độ đồng nhất, và cấu trúc của bột sau MA. Các phương pháp phân tích XRD và SEM sẽ được sử dụng để đánh giá chất lượng của pha giả tinh thể.

4.2. Xử lý nhiệt và sự hình thành pha i QC trong hệ Al Cu Fe

Xử lý nhiệt đóng vai trò then chốt trong việc hình thành pha i-QC ổn định trong hệ Al-Cu-Fe sau quá trình hợp kim hóa cơ học. Nhiệt độ và thời gian ủ ảnh hưởng đáng kể đến sự kết tinh và sự phát triển của pha i-QC. Nghiên cứu này sẽ xác định các thông số xử lý nhiệt tối ưu để đạt được tỷ lệ pha i-QC cao nhất. Các phương pháp phân tích DSC và XRD sẽ được sử dụng để theo dõi quá trình hình thành pha i-QC trong quá trình xử lý nhiệt.

4.3. Ứng dụng của pha giả tinh thể Al Cu Fe trong vật liệu composite

Pha giả tinh thể Al-Cu-Fe có thể được sử dụng làm pha gia cường trong vật liệu composite nền kim loại. Việc bổ sung pha i-QC vào nền Al có thể cải thiện độ bền, độ cứng, và khả năng chống mài mòn của vật liệu. Nghiên cứu này sẽ khảo sát khả năng ứng dụng của pha giả tinh thể Al-Cu-Fe trong vật liệu composite nền Al bằng các phương pháp thử nghiệm cơ học và đánh giá độ mài mòn.

V. Tính chất từ của vật liệu Al TM RE Ảnh hưởng cấu trúc

Tính chất từ của vật liệu Al-TM/RE chịu ảnh hưởng lớn bởi cấu trúc của vật liệu. Trong hợp kim vô định hình, sự vắng mặt của trật tự tinh thể tạo ra các tính chất từ mềm, với độ từ dư thấp và tính dị hướng từ thấp. Trong hợp kim giả tinh thể, sự có mặt của các nguyên tố từ tính (như Fe) trong cấu trúc giả tuần hoàn có thể dẫn đến các tính chất từ độc đáo. Nghiên cứu này tập trung vào khảo sát sự thay đổi tính chất từ của vật liệu Al-TM/RE sau quá trình hợp kim hóa cơ học và xử lý nhiệt.

5.1. Biến đổi tính chất từ trong quá trình vô định hình hóa Al Fe Ni

Quá trình vô định hình hóa ảnh hưởng đáng kể đến tính chất từ của hợp kim Al-Fe-Ni. Khi cấu trúc chuyển từ tinh thể sang vô định hình, độ từ hóa bão hòa thường giảm, độ từ dư giảm, và độ kháng từ tăng. Điều này là do sự phá vỡ trật tự từ xa trong cấu trúc vô định hình. Nghiên cứu này sẽ sử dụng phương pháp đo từ kế mẫu rung (VSM) để theo dõi sự thay đổi tính chất từ của hợp kim Al-Fe-Ni trong quá trình hợp kim hóa cơ học.

5.2. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến tính chất từ của giả tinh thể Al Cu Fe

Xử lý nhiệt có thể thay đổi tính chất từ của giả tinh thể Al-Cu-Fe bằng cách ảnh hưởng đến sự kết tinh và sự phát triển của pha i-QC. Khi pha i-QC phát triển, tính chất từ của vật liệu có thể thay đổi do sự thay đổi trong môi trường từ của các nguyên tử Fe. Nghiên cứu này sẽ khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ủ đến tính chất từ của giả tinh thể Al-Cu-Fe bằng phương pháp VSM.

5.3. Tương quan giữa cấu trúc và tính chất từ trong hợp kim Al TM RE

Nghiên cứu mối tương quan giữa cấu trúc và tính chất từ trong hợp kim Al-TM/RE là rất quan trọng để hiểu rõ cơ chế từ tính của vật liệu. Các phương pháp phân tích XRD, SEM, và TEM sẽ được sử dụng để xác định cấu trúc của vật liệu ở các giai đoạn khác nhau của quá trình hợp kim hóa cơ học và xử lý nhiệt. Kết quả phân tích cấu trúc sẽ được so sánh với kết quả đo từ tính để tìm ra mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất từ.

VI. Kết luận và triển vọng vật liệu phi tinh thể Al TM RE tương lai

Nghiên cứu này đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu phi tinh thể hệ Al-TM/RE bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học. Kết quả nghiên cứu đã làm sáng tỏ ảnh hưởng của các yếu tố quy trình đến cấu trúc và tính chất của vật liệu. Nghiên cứu cũng đã xác định các điều kiện tối ưu để tổng hợp pha i-QC trong hệ Al-Cu-Fe và cải thiện độ ổn định nhiệt của hợp kim vô định hình Al-Fe-Ni. Các kết quả này có thể được sử dụng để phát triển các ứng dụng tiềm năng của vật liệu phi tinh thể trong nhiều lĩnh vực.

6.1. Tổng kết kết quả nghiên cứu hợp kim vô định hình Al TM

Nghiên cứu về hợp kim vô định hình Al-TM bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học đã đạt được những kết quả quan trọng. Việc kiểm soát các thông số nghiền, như tốc độ nghiền và thời gian nghiền, cho phép điều chỉnh kích thước hạt và cấu trúc của bột. Sự thêm vào các nguyên tố hợp kim như Y và Ti đã chứng minh khả năng cải thiện độ ổn định nhiệt của hợp kim vô định hình. Các kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng của hợp kim vô định hình Al-TM trong các lĩnh vực đòi hỏi độ bền và khả năng chịu nhiệt cao.

6.2. Tổng kết kết quả nghiên cứu hợp kim giả tinh thể Al Cu Fe

Nghiên cứu về hợp kim giả tinh thể Al-Cu-Fe đã thành công trong việc tổng hợp pha i-QC bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học và xử lý nhiệt. Việc tối ưu hóa các thông số xử lý nhiệt, như nhiệt độ và thời gian ủ, đã cho phép đạt được tỷ lệ pha i-QC cao nhất. Pha i-QC có độ cứng cao và hệ số ma sát thấp, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các lớp phủ chống mài mòn và vật liệu composite.

6.3. Hướng nghiên cứu và phát triển vật liệu phi tinh thể Al TM RE

Hướng nghiên cứu và phát triển vật liệu phi tinh thể Al-TM/RE trong tương lai là rất rộng lớn. Các nghiên cứu có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp vật liệu mới, tối ưu hóa thành phần hợp kim, và khám phá các ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, y sinh học, và năng lượng tái tạo. Việc nghiên cứu về tính chất từ của vật liệu phi tinh thể Al-TM/RE cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn, có thể dẫn đến các ứng dụng trong các thiết bị điện tử và cảm biến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VẬT LIỆU PHI TINH THỂ Vật liệu phi tinh thể là những vật liệu không có cấu trúc mạng tinh thể trật tự với đối xứng trục bậc 2, 3, 4 và 6. Vật liệu phi tinh thể bao gồm vật liệu vô định hình và vật liệu giả tinh thể. Vật liệu cấu trúc vô định hình 1. Giới thiệu Thông thường vật liệu rắn được chia làm 2 nhóm là chất rắn tinh thể và vô định hình (VĐH), Hình 1.

Trong chất rắn tinh thể, các nguyên tử (hoặc ion, phân tử) sắp xếp theo một trật tự nhất định, còn trong chất rắn VĐH chúng sắp xếp hỗn loạn. Trong chất rắn tinh thể, mỗi nguyên tử có vị trí xác định đối với những nguyên tử lân cận gần nhất và những nguyên tử xa hơn. Vì vậy, tinh thể có trật tự xa. Chất rắn tinh thể được đặc trưng bằng sự “dị hướng” của các tính chất khi đó các tính chất vật lý trong tinh thể sẽ khác nhau theo các phương khác nhau.

Chất rắn VĐH tạo thành từ trạng thái lỏng có độ sệt cao, các nguyên tử (phân tử) không đủ độ linh hoạt để sắp xếp lại theo trật tự xa khi chuyển pha lỏng-rắn nên chất rắn VĐH có tính đẳng hướng. Minh họa cấu trúc của chất rắn: (a) đơn tinh thể, (b) đa tinh thể, và (c) vô định hình. Đối xứng là một trong những tính chất quan trọng của tinh thể học. Tính đối xứng của tinh thể được đặc trưng bởi các yếu tố đối xứng.

Mỗi yếu tố đối xứng tương ứng với một thao tác đối xứng, tức là với sự biến đổi hình học để xác định một hệ thống điểm, đường, phần tử… tự trùng lặp với chính mình trong không gian. Phép tịnh tiến là một trong những yếu tố đối xứng quan trọng của cấu trúc mạng tinh thể, ứng với mỗi thao tác tịnh tiến mạng tinh thể theo một hướng nào đó trong không gian đi một số nguyên lần trên độ dài xác định để tinh thể trùng với chính nó. Độ dài đơn vị tịnh tiến được gọi là chu kỳ tuần hoàn của mạng tinh thể theo hướng không gian đã cho. Phụ thuộc vào tương quan giữa ba véc-tơ trong không gian và ba góc giữa các véc-tơ này tạo thành bảy hệ tinh thể khác nhau.

Bằng cách tịnh tiến, đưa các phần tử (nguyên tử, ion hay phân tử) lên tâm các mặt bên, tâm đáy hoặc tâm các ô cơ sở đơn giản. Nếu không tính đến tính đối xứng của các phần tử tại nút mạng tinh thể, chỉ khảo sát vị trí thì chỉ có mười bốn cách tịnh tiến các phần tử trong không gian để nhận 5 được mười bốn kiểu mạng Bravais thuộc 7 hệ tinh thể. Trong kim loại thường gặp các kiểu sắp xếp nguyên tử như: Mạng lập phương tâm khối, mạng lập phương tâm mặt, mạng lục giác xếp chặt. Đối với cấu trúc mạng lập phương tâm khối, số sắp xếp K = 8 + 6 (mỗi nguyên tử được bao quanh bởi 8 nguyên tử cách đều với khoảng cách a√3/2 và mỗi nguyên tử còn được bao quanh bởi 6 nguyên tử khác với khoảng cách a.

Mạng lập phương tâm mặt có số sắp xếp K = 12, mỗi nguyên tử được bao quanh bởi 12 nguyên tử cách đều gần nhất với khoảng cách là a√2/2 (a là hằng số mạng). Mạng lục giác xếp chặt, mỗi nguyên tử bao quanh bởi 12 nguyên tử cách đều với khoảng cách bằng đường kính nguyên tử (K = 12) [1-3]. Trong vật liệu VĐH, các nguyên tử sắp xếp không tuần hoàn nên việc xác định khoảng cách lân cận gần nhất là rất khó. Mỗi nguyên tử trong chất rắn VĐH sẽ có các nguyên tử lân cận khác nhau.

Vì vậy, giản đồ nhiễu xạ tia X của chất rắn VĐH không có các píc nhiễu xạ dạng vạch của chất rắn tinh thể mà chỉ có cường độ khuếch tán cực đại. Phân loại vật liệu vô định hình Nhiều loại hợp kim VĐH được chế tạo từ những năm 1960. Hợp kim VĐH có dạng băng mỏng, dạng bột hoặc dạng khối được phân loại thành hai nhóm là kim loại - á kim và kim loại - kim loại [4]. Nhóm hợp kim VĐH kim loại - á kim có các nguyên tử kim loại chiếm khoảng 80 % và các nguyên tử á kim (B, C, P và Si) chiếm khoảng 20 %.

Các nguyên tử kim loại/á kim có thể là cùng loại hoặc khác loại. Một số hợp kim thuộc nhóm này là Pd₈₀Si₂₀, Pd₇₇Cu₆Si₁₇, Fe₈₀B₂₀, Fe₄₀Ni₄₀B₂₀, Ni₇₅Si₈B₁₇, Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆, Fe₇₀Cr₁₀P₁₃C₇, Ni₄₉Fe₂₉B₆P₁₄Si₂, và có một số thành phần đặc biệt như W₃₅MO₂₀Cr₁₅Fe₅Ni₅P₆B₆C₅Si₃. Nhóm hợp kim VĐH kim loại - kim loại, thành phần chỉ có các nguyên tử kim loại. Một số hợp kim thuộc nhóm này bao gồm: Al₈₀Fe₂₀, Ni₆₀Nb₄₀, Cu₅₇Zr₄₃, Mg₇₀Zn₃₀, La₈₀Au₂₀ và Fe₉₀Zr₁₀.

Không có giới hạn về thành phần trong nhóm hợp kim VĐH kim loại – kim loại. Thành phần kim loại thứ hai từ 9–10 % hoặc lên đến gần 50 %. Các đặc trưng của vật liệu cấu trúc VĐH a. Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Tg) Một đặc tính quan trọng của hợp kim VĐH là nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Tg).

Tại nhiệt độ chuyển pha thủy tinh có sự thay đổi đột ngột trong các đặc tính nhiệt động học (nhiệt dung riêng hoặc độ giãn nhiệt) khi hợp kim chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn (hoặc ngược lại) khi thay đổi nhiệt độ. Chuyển pha thủy tinh trong vật liệu có thể quan sát được khi có sự thay đổi về tỷ trọng hoặc thể tích bằng cách nung nóng hoặc làm nguội vật liệu từ trạng thái rắn, lỏng tương ứng. Các quá trình có thể xảy ra khi làm nguội kim loại lỏng như trong Hình 1. Sự thay đổi của thể tích riêng theo nhiệt độ đối với chất rắn tinh thể và vật liệu VĐH[4].

Thể tích riêng (thể tích trên một đơn vị khối lượng) của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ. Ở nhiệt độ thấp, thể tích riêng của kim loại lỏng giảm. Độ dốc của đường thẳng là hệ số giãn nở nhiệt thể tích αv:  1  dV   v =     V  dT  Khi tốc độ làm nguội kim loại lỏng thấp, hợp kim có thể kết tinh ở nhiệt độ Tm (nhiệt độ nóng chảy). Sự giảm thể tích đột ngột xảy ra ở nhiệt độ này là do sự sắp xếp của các nguyên tử từ trạng thái hỗn loạn (kim loại lỏng) sang trạng thái trật tự của chất rắn kết tinh.

Dưới nhiệt độ Tm, thể tích riêng lại tiếp tục giảm gần như tuyến tính với nhiệt độ, hệ số giãn nở nhiệt của chất rắn kết tinh bằng ⅓ của pha lỏng đối với nhiều vật liệu. Vật liệu có xu hướng kết tinh khi làm nguội dưới nhiệt độ Tm do năng lượng ở trạng thái tinh thể thấp hơn năng lượng ở trạng thái lỏng. Để ngăn việc hình thành tinh thể từ trạng thái lỏng có thể làm nguội kim loại lỏng ở tốc độ cao hơn. Thể tích của tập hợp các nguyên tử tiếp tục giảm tạo thành 1 chất lỏng quá nguội (SL – super-cooled liquid).

Nếu SL tiếp tục thay đổi thể tích thì sẽ có thể tích riêng nhỏ hơn thể tích của tinh thể ở cùng nhiệt độ, do hệ số giãn nở nhiệt vlỏng > vrắn. Chất lỏng quá nguội có các nguyên tử sắp xếp lỏng lẻo nên thể tích chất lỏng quá nguội cao hơn thể tích của tinh thể. Độ dốc của đường SL sẽ giảm thấp nhất tại nhiệt độ chuyển pha thủy tinh Tg. Nhiệt dung riêng và độ nhớt của vật liệu VĐH Hình 1.3 mô tả sự thay đổi của nhiệt dung riêng (specific heat), Cₚ và độ nhớt (viscosity), η, theo nhiệt độ.

Hợp kim VĐH có chuyển tiếp thuận nghịch thủy tinh - lỏng tại Tg, với sự thay đổi đáng kể của Cₚ hoặc η. Trong quá trình gia nhiệt các hợp kim VĐH, tại nhiệt độ Tg, Cₚ tăng đột ngột (Hình 1.3 A) đồng thời độ nhớt, η giảm. Chuyển tiếp thuận nghịch này tương tự thủy tinh vô cơ. Thủy tinh kim loại có thể trải qua trạng thái lỏng quá nguội mà không chuyển pha thành trạng thái tinh thể.

Tính thuận nghịch cho thấy cấu trúc của hợp kim VĐH có liên quan chặt chẽ đến sự sắp xếp nguyên tử ở trạng thái lỏng. Thủy tinh hoặc thủy tinh kim loại không ở trạng thái ổn định nhiệt động học (trạng thái cân bằng). Theo quan điểm vật lý, thủy tinh ở trạng thái kích thích và ở nhiệt độ và thời gian nhất định (vài min đến hàng nghìn năm, tùy 7 thuộc vào loại thủy tinh và cách chế tạo), chúng sẽ hồi phục và chuyển sang trạng thái tinh thể.3 Sự biến thiên của (A) nhiệt dung riêng và (B) độ nhớt theo nhiệt độ đối với sự hình thành tinh thể và thủy tinh [5]. Vấn đề được đặt ra là liệu các nguyên lý của nhiệt động học và các hàm sử dụng để xác định cho các trạng thái cân bằng có thể áp dụng cho các hệ ở xa trạng thái cân bằng hay không? Turnbull giải thích vấn đề này dựa trên các khái niệm về độ quá nguội [6].

Về nguyên tắc, các nguyên lý nhiệt động học chỉ áp dụng cho hệ ở trạng thái cân bằng. Tuy nhiên, có thể sử dụng các nguyên lý này khi hệ đang được xem xét là một chất lỏng quá nguội do kích thước tới hạn của mầm để tạo thành pha tinh thể rắn là vô cùng lớn ở nhiệt độ đông đặc, Tm. Nói cách khác, thời gian cho sự tạo mầm của pha tinh thể là một hàm của độ quá nguội của kim loại lỏng. Thời gian này kéo dài ở nhiệt độ đông đặc và giảm khi tăng độ quá nguội.

Khi thời gian tạo mầm đủ dài để pha lỏng có thể tồn tại và xác định entropi và các hàm nhiệt động học khác của chất lỏng. Chất lỏng ở trạng thái giả ổn định là trạng thái mà entropi, năng lượng tự do và các thông số nhiệt động học khác đều có thể được xác định. Như vậy có thể sử dụng các nguyên lý nhiệt động học có thể áp dụng cho các hệ cân bằng trong những trường hợp này. Dưới nhiệt độ chuyển pha thủy tinh Tg, vật liệu có cấu trúc VĐH.

Trên nhiệt độ chuyển pha thủy tinh Tg và dưới nhiệt độ nóng chảy Tm, vật liệu được gọi là vùng chất lỏng quá nguội. Cấu trúc của thủy tinh kim loại Thủy tinh kim loại không có tính tuần hoàn về mặt cấu trúc nên hầu hết các kỹ thuật phân tích thực nghiệm không xác định được rõ ràng cấu trúc của chúng.