Metal amorf - Amorphous metal

Mostre de metal amorf, cu scară milimetrică

Un metal amorf (cunoscut și sub denumirea de sticlă metalică sau metal sticlos ) este un material metalic solid , de obicei un aliaj , cu structură la scară atomică dezordonată. Cele mai multe metale sunt cristaline în starea lor solidă, ceea ce înseamnă că au o dispunere foarte ordonată a atomilor . Metalele amorfe sunt necristaline și au o structură asemănătoare sticlei . Dar, spre deosebire de ochelarii obișnuiți, cum ar fi sticla de fereastră, care sunt de obicei izolatori electrici , metalele amorfe au o conductivitate electrică bună și prezintă, de asemenea, supraconductivitate la temperaturi scăzute.

Există mai multe moduri în care pot fi produse metale amorfe, inclusiv răcirea extrem de rapidă , depunerea fizică a vaporilor , reacția în stare solidă , iradierea ionilor și aliajele mecanice . Anterior, mici loturi de metale amorfe fuseseră produse printr-o varietate de metode de răcire rapidă, cum ar fi panglici de metal amorf care fuseseră produse prin pulverizarea metalului topit pe un disc de metal învârtit ( filare în topitură ). Răcirea rapidă (în ordinea a milioane de grade Celsius pe secundă) este prea rapidă pentru a se forma cristale și materialul este „blocat” într-o stare sticloasă. În prezent, au fost produse o serie de aliaje cu viteze critice de răcire suficient de scăzute pentru a permite formarea structurii amorfe în straturi groase (peste 1 milimetru); acestea sunt cunoscute sub numele de ochelari metalici în vrac ( BMG ). Mai recent, au fost produse loturi de oțel amorf cu rezistența de trei ori mai mare decât aliajele convenționale de oțel.

Istorie

Prima sticlă metalică raportată a fost un aliaj (Au 75 Si 25 ) produs la Caltech de W. Klement (Jr.), Willens și Duwez în 1960. Acestea și alte aliaje timpurii de formare a sticlei au trebuit să fie răcite extrem de rapid (la comandă) de un mega kelvin pe secundă, 10 6  K / s) pentru a evita cristalizarea. O consecință importantă a acestui fapt a fost că ochelarii metalici puteau fi produși doar într-un număr limitat de forme (de obicei panglici, folii sau fire) în care o dimensiune era mică, astfel încât căldura să poată fi extrasă suficient de rapid pentru a atinge rata de răcire necesară. Ca rezultat, specimenele de sticlă metalică (cu câteva excepții) au fost limitate la grosimi mai mici de o sută de micrometri .

În 1969, s-a constatat că un aliaj de 77,5% paladiu , 6% cupru și 16,5% siliciu are o rată critică de răcire între 100 și 1000 K / s.

În 1976, H. Liebermann și C. Graham au dezvoltat o nouă metodă de fabricare a panglicilor subțiri de metal amorf pe o roată cu rotație rapidă, super-răcită . Acesta a fost un aliaj de fier , nichel și bor . Materialul, cunoscut sub numele de Metglas , a fost comercializat la începutul anilor 1980 și este utilizat pentru transformatoare de distribuție a energiei cu pierderi reduse ( transformator de metal amorf ). Metglas-2605 este compus din 80% fier și 20% bor, are o temperatură Curie de 373 ° C și o magnetizare a saturației la temperatura camerei de 1,56 tesla .

La începutul anilor 1980, lingourile sticloase cu diametrul de 5 mm au fost produse din aliajul de 55% paladiu, 22,5% plumb și 22,5% antimoniu, prin gravarea suprafeței urmate de cicluri de încălzire-răcire. Folosind fluxul de oxid de bor , grosimea realizabilă a fost mărită la un centimetru.

În 1982, un studiu privind relaxarea structurală a metalelor amorfe a indicat o relație între căldura specifică și temperatura de (Fe 0,5 Ni 0,5 ) 83 P 17 . Pe măsură ce materialul a fost încălzit, proprietățile au dezvoltat o relație negativă începând de la 375 K, care s-a datorat schimbării stărilor amorfe relaxate. Când materialul a fost recoacut pentru perioade de la 1 la 48 de ore, proprietățile au dezvoltat o relație pozitivă începând de la 475 K pentru toate perioadele de recoacere, deoarece structura indusă de recoacere dispare la acea temperatură. În acest studiu, aliajele amorfe au demonstrat tranziția sticlei și o regiune lichidă super răcită. Între 1988 și 1992, mai multe studii au descoperit mai multe aliaje de tip sticlă cu tranziție sticloasă și o regiune lichidă super răcită. Din aceste studii, aliajele de sticlă în vrac au fost realizate din La, Mg și Zr, iar aceste aliaje au demonstrat plasticitate chiar și atunci când grosimea panglicii a crescut de la 20 μm la 50 μm. Plasticitatea a fost o mare diferență față de metalele amorfe din trecut, care au devenit fragile la aceste grosimi.

În 1988, aliajele de lantan, aluminiu și minereu de cupru s-au dovedit a fi foarte formante din sticlă. Ochelarii metalici pe bază de Al care conțin Scandium au prezentat o rezistență mecanică la tracțiune de tip record de aproximativ 1500 MPa.

Înainte de a fi găsite noi tehnici în 1990, aliajele amorfe în vrac cu o grosime de câțiva milimetri erau rare, cu excepția câtorva excepții, aliajele amorfe pe bază de Pd fuseseră formate în tije cu un diametru de 2 mm prin stingere și sfere cu un diametru de 10 mm s-au format prin topirea fluxului de repetare cu B 2 O 3 și stingere.

În anii 1990 au fost dezvoltate noi aliaje care formează ochelari la viteze de răcire de până la un kelvin pe secundă. Aceste rate de răcire pot fi atinse prin turnarea simplă în matrițe metalice. Aceste aliaje amorfe „în vrac” pot fi turnate în părți cu o grosime de până la câțiva centimetri (grosimea maximă în funcție de aliaj), păstrând în același timp o structură amorfă. Cele mai bune aliaje de formare a sticlei se bazează pe zirconiu și paladiu , dar sunt cunoscute și aliaje pe bază de fier , titan , cupru , magneziu și alte metale. Multe aliaje amorfe se formează prin exploatarea unui fenomen numit efect de „confuzie”. Astfel de aliaje conțin atât de multe elemente diferite (adesea patru sau mai multe) încât, la răcirea la viteze suficient de rapide, atomii constituanți pur și simplu nu se pot coordona în starea cristalină de echilibru înainte ca mobilitatea lor să fie oprită. În acest fel, starea dezordonată aleatorie a atomilor este „blocată”.

În 1992, aliajul amorf comercial, Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni și 22,5% Be), a fost dezvoltat la Caltech, ca parte a cercetării Departamentului Energiei și NASA materiale aerospațiale.

Până în 2000, cercetările din Universitatea Tohoku și Caltech au produs aliaje multicomponente pe bază de lantan, magneziu, zirconiu, paladiu, fier, cupru și titan, cu o rată critică de răcire între 1 K / s și 100 K / s, comparabilă cu ochelarii cu oxid.

În 2004, oțelul amorf în vrac a fost produs cu succes de două grupuri: unul la Oak Ridge National Laboratory , care se referă la produsul lor ca „oțel sticlos”, iar celălalt la Universitatea din Virginia , numindu-le „DARVA-Glass 101”. Produsul este nemagnetic la temperatura camerei și semnificativ mai puternic decât oțelul convențional, deși rămâne un proces îndelungat de cercetare și dezvoltare înainte de introducerea materialului în uz public sau militar.

În 2018, o echipă a Laboratorului Național de Accelerare SLAC , Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) și Universitatea Northwestern au raportat utilizarea inteligenței artificiale pentru a prezice și evalua eșantioane de 20.000 de aliaje de sticlă metalice diferite probabil într-un an. Metodele lor promit să accelereze cercetarea și timpul de lansare pe piață pentru noile aliaje de metale amorfe.

Proprietăți

Metalul amorf este de obicei un aliaj mai degrabă decât un metal pur. Aliajele conțin atomi de dimensiuni semnificativ diferite, ceea ce duce la un volum liber scăzut (și, prin urmare, până la ordine de mărime cu vâscozitate mai mare decât alte metale și aliaje) în stare topită. Vâscozitatea împiedică mișcarea suficientă a atomilor pentru a forma o rețea ordonată. Structura materialului are ca rezultat și o contracție scăzută în timpul răcirii și rezistență la deformarea plastică. Absența limitelor de cereale , punctele slabe ale materialelor cristaline, duc la o mai bună rezistență la uzură și coroziune . Metalele amorfe, deși din punct de vedere tehnic sunt paharele, sunt, de asemenea, mult mai dure și mai puțin fragile decât paharele cu oxid și ceramica. Metalele amorfe pot fi grupate în două categorii, fie neferomagnetice, dacă sunt compuse din Ln, Mg, Zr, Ti, Pd, Ca, Cu, Pt și Au, sau aliaje feromagnetice, dacă sunt compuse din Fe, Co și Ni.

Conductivitatea termică a materialelor amorfe este mai mică decât cea a metalului cristalin. Deoarece formarea structurii amorfe se bazează pe răcirea rapidă, aceasta limitează grosimea maximă realizabilă a structurilor amorfe. Pentru a realiza formarea structurii amorfe chiar și în timpul răcirii mai lente, aliajul trebuie să fie format din trei sau mai multe componente, ducând la unități cristaline complexe cu energie potențială mai mare și șanse mai mici de formare. Raza atomică a componentelor trebuie să fie semnificativ diferit (peste 12%), pentru a obține o densitate mare de ambalare și de volum liber redus. Combinația de componente ar trebui să aibă o căldură negativă de amestecare, inhibând nucleația cristalelor și prelungind timpul în care metalul topit rămâne în stare supra-răcită .

Pe măsură ce temperaturile se schimbă, rezistivitatea electrică a metalelor amorfe se comportă foarte diferit de cea a metalelor obișnuite. În timp ce rezistivitatea în metalele obișnuite crește în general cu temperatura, urmând regula lui Matthiessen , rezistivitatea într-un număr mare de metale amorfe scade odată cu creșterea temperaturii. Acest efect poate fi observat în metalele amorf cu rezistivități mari între 150 μΩcm și 300 μΩcm. În aceste metale, evenimentele de împrăștiere care cauzează rezistivitatea metalului nu mai pot fi considerate independente statistic, explicând astfel defalcarea regulii lui Matthiessen. Faptul că schimbarea termică a rezistivității în metalele amorfe poate fi negativă pe o gamă largă de temperaturi și corelată cu valorile lor de rezistivitate absolută a fost observată pentru prima dată de Mooij în 1973, prin urmare, inventând termenul „regula Mooij”.

Aliajele de bor , siliciu , fosfor și alte formatoare de sticlă cu metale magnetice ( fier , cobalt , nichel ) au o susceptibilitate magnetică ridicată , cu coercitivitate scăzută și rezistență electrică ridicată . De obicei conductivitatea electrică a unei sticle metalice este de aceeași ordine de mărime scăzută ca a unui metal topit chiar deasupra punctului de topire. Rezistența ridicată duce la pierderi reduse de curenți turbionari atunci când sunt supuși câmpurilor magnetice alternante, o proprietate utilă, de exemplu, pentru nucleele magnetice ale transformatorului . Coercitivitatea lor scăzută contribuie, de asemenea, la pierderi reduse.

Superconductibilitatea filmelor subtiri metalice amorfe a fost descoperit experimental la începutul anilor 1950 de Buckel și Hilsch. Pentru anumite elemente metalice, temperatura critică supraconductoare T c poate fi mai mare în starea amorfă (de ex. La aliere) decât în ​​starea cristalină și, în mai multe cazuri, T c crește la creșterea tulburării structurale. Acest comportament poate fi înțeles și raționalizat luând în considerare efectul tulburării structurale asupra cuplării electron-fonon.

Metalele amorfe au rezistențe la tracțiune mai ridicate și limite de deformare elastice mai mari decât aliajele metalice policristaline, dar ductilitățile și rezistența la oboseală a acestora sunt mai mici. Aliajele amorfe au o varietate de proprietăți potențial utile. În special, acestea tind să fie mai puternice decât aliajele cristaline cu compoziție chimică similară și pot susține deformări reversibile („elastice”) mai mari decât aliajele cristaline. Metalele amorfe își obțin rezistența direct din structura lor necristalină, care nu prezintă niciunul dintre defectele (cum ar fi luxațiile ) care limitează rezistența aliajelor cristaline. Un metal modern amorf, cunoscut sub numele de Vitreloy , are o rezistență la tracțiune de aproape două ori mai mare decât cea a titanului de înaltă calitate . Cu toate acestea, geamurile metalice la temperatura camerei nu sunt ductile și tind să cedeze brusc atunci când sunt încărcate în tensiune , ceea ce limitează aplicabilitatea materialului în aplicații critice de fiabilitate, deoarece defectarea iminentă nu este evidentă. Prin urmare, există un interes considerabil în producerea compozitelor cu matrice metalică constând dintr-o matrice metalică de sticlă care conține particule dendritice sau fibre dintr-un metal cristalin ductil.

Poate că cea mai utilă proprietate a aliajelor amorfe în vrac este că sunt adevărate ochelari, ceea ce înseamnă că se înmoaie și curg la încălzire. Acest lucru permite prelucrarea ușoară, cum ar fi prin turnare prin injecție , la fel ca polimerii . Ca urmare, aliajele amorf au fost comercializate pentru a fi utilizate în echipamente sportive, dispozitive medicale și ca cazuri pentru echipamente electronice.

Filmele subțiri de metale amorfe pot fi depuse prin tehnica de combustibil cu oxigen de mare viteză ca acoperiri de protecție.

Aplicații

Comercial

În prezent, cea mai importantă aplicație se datorează proprietăților magnetice speciale ale unor ochelari metalici feromagnetici. Pierderea de magnetizare scăzută este utilizată în transformatoarele de înaltă eficiență ( transformator de metal amorf ) la frecvența de linie și unele transformatoare de frecvență mai mare. Oțelul amorf este un material foarte fragil, ceea ce face dificilă perforarea în laminările motorului. De asemenea, supravegherea electronică a articolelor (cum ar fi etichetele de identificare pasive pentru controlul furtului) folosește adesea ochelari metalici datorită acestor proprietăți magnetice.

Un aliaj comercial amorf, Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni și 22,5% Be), a fost dezvoltat la Caltech, ca parte a cercetării Departamentului Energiei și NASA a noilor materiale aerospațiale.

Sticla metalică pe bază de Ti, atunci când este transformată în țevi subțiri, are o rezistență ridicată la tracțiune de 2100 MPA, alungire elastică de 2% și rezistență ridicată la coroziune. Folosind aceste proprietăți, a fost utilizată o sticlă metalică Ti – Zr – Cu – Ni – Sn pentru a îmbunătăți sensibilitatea unui debitmetru Coriolis. Acest debitmetru este de aproximativ 28-53 de ori mai sensibil decât contoarele convenționale, care pot fi aplicate în industria combustibililor fosili, chimică, de mediu, a semiconductorilor și a științelor medicale.

Sticla metalică pe bază de Zr-Al-Ni-Cu poate fi modelată în senzori de presiune de 2,2-5 mm cu 4 mm pentru automobile și alte industrii, iar acești senzori sunt mai mici, mai sensibili și au o rezistență mai mare la presiune în comparație cu oțelul inoxidabil convențional fabricat din lucru la rece. În plus, acest aliaj a fost folosit pentru a produce cel mai mic motor din lume cu diametrul de 1,5 mm și 9,9 mm pentru a fi produs și vândut în acel moment.

Potenţial

Metalele amorfe prezintă un comportament unic de înmuiere deasupra tranziției sticlei și această înmuiere a fost explorată din ce în ce mai mult pentru formarea termoplastică a sticlei metalice. O astfel de temperatură scăzută de înmuiere permite dezvoltarea unor metode simple pentru fabricarea compozitelor de nanoparticule (de exemplu nanotuburi de carbon ) și BMG. S-a demonstrat că ochelarii metalici pot fi modelați pe cântare de lungime extrem de mică, variind de la 10 nm la câțiva milimetri. Acest lucru poate rezolva problemele litografiei nanoimprinderii, unde nano-matrițele scumpe din siliciu se rup ușor. Nano-matrițele realizate din ochelari metalici sunt ușor de fabricat și mai durabile decât matrițele din siliciu. Proprietățile electronice, termice și mecanice superioare ale BMG-urilor în comparație cu polimerii le fac o opțiune bună pentru dezvoltarea nanocompozitelor pentru aplicații electronice, cum ar fi dispozitivele de emisie de electroni de câmp .

Se crede că Ti 40 Cu 36 Pd 14 Zr 10 este non-cancerigen, este de aproximativ trei ori mai puternic decât titanul, iar modulul său elastic aproape se potrivește cu oasele . Are o rezistență ridicată la uzură și nu produce pulbere de abraziune. Aliajul nu suferă contracție la solidificare. Se poate genera o structură de suprafață care poate fi atașată biologic prin modificarea suprafeței folosind impulsuri laser, permițând o mai bună îmbinare cu osul.

Mg 60 Zn 35 Ca 5 , răcit rapid pentru a obține o structură amorfă, este investigat, la Universitatea Lehigh, ca biomaterial pentru implantarea în oase ca șuruburi, știfturi sau plăci, pentru a remedia fracturile. Spre deosebire de oțelul tradițional sau titanul, acest material se dizolvă în organisme cu o rată de aproximativ 1 milimetru pe lună și este înlocuit cu țesut osos. Această viteză poate fi ajustată prin variația conținutului de zinc.

Fabricarea aditivă

O provocare la sintetizarea unei sticle metalice este că tehnicile produc adesea doar probe foarte mici, din cauza necesității unor rate de răcire ridicate. Metodele de imprimare 3D au fost sugerate ca metodă de creare a unor mostre mai mari în vrac. Topirea selectivă cu laser (SLM) este un exemplu de metodă de fabricație aditivă care a fost utilizată pentru a face ochelari metalici pe bază de fier. Imprimarea cu folie laser (LFP) este o altă metodă în care foliile metalelor amorfe sunt stivuite și sudate împreună, strat cu strat.

Modelare și teorie

Ochelarii metalici în vrac (BMG) au fost acum modelați utilizând simulări la scară atomică (în cadrul teoriei funcționale a densității ) într-un mod similar cu aliajele cu entropie ridicată . Acest lucru a permis predicții cu privire la comportamentul, stabilitatea și multe alte proprietăți ale acestora. Ca atare, noile sisteme BMG pot fi testate și adaptate pentru un scop specific (de exemplu, înlocuirea oaselor sau componenta motorului aerian ) fără a căuta atât de mult empiric spațiul de fază sau încercări și erori experimentale . Cu toate acestea, identificarea structurilor atomice care controlează proprietățile esențiale ale unei sticle metalice s-a dovedit, în ciuda anilor de cercetare activă, destul de provocatoare.

O modalitate obișnuită de a încerca și a înțelege proprietățile electronice ale metalelor amorfe este compararea acestora cu metalele lichide, care sunt în mod similar dezordonate și pentru care există cadre teoretice stabilite. Pentru metalele amorfe simple, estimări bune pot fi atinse prin modelarea semi-clasică a mișcării electronilor individuali utilizând ecuația Boltzmann și aproximând potențialul de împrăștiere ca suprapunere a potențialului electronic al fiecărui nucleu din metalul înconjurător. Pentru a simplifica calculele, potențialele electronice ale nucleelor ​​atomice pot fi tăiate pentru a da un pseudopotențial brioșă-staniu. În această teorie, există două efecte principale care guvernează schimbarea rezistivității odată cu creșterea temperaturilor. Ambele se bazează pe inducerea vibrațiilor nucleilor atomici ai metalului pe măsură ce temperaturile cresc. Unul este că structura atomică devine din ce în ce mai murdară pe măsură ce pozițiile exacte ale nucleilor atomici devin din ce în ce mai puțin bine definite. Cealaltă este introducerea fononilor. În timp ce smearing-ul scade în general rezistivitatea metalului, introducerea fononilor adaugă, în general, site-uri de împrăștiere și, prin urmare, crește rezistivitatea. Împreună, ei pot explica scăderea anomală a rezistivității în metalele amorfe, deoarece prima parte o depășește pe a doua. Spre deosebire de metalele cristaline obișnuite, contribuția fononică într-un metal amorf nu se îngheță la temperaturi scăzute. Datorită lipsei unei structuri cristaline definite, există întotdeauna unele lungimi de undă fononice care pot fi excitate. În timp ce această abordare semiclasică este valabilă pentru multe metale amorfe, în general se descompune în condiții mai extreme. La temperaturi foarte scăzute, natura cuantică a electronilor duce la efecte de interferență pe termen lung ale electronilor între ei în ceea ce se numește „efecte de localizare slabe”. În metalele foarte puternic dezordonate, impuritățile din structura atomică pot induce stări electronice legate în ceea ce se numește „ localizare Anderson ”, legând efectiv electronii și inhibând mișcarea lor.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

linkuri externe