Amorf fém - Amorphous metal

Minták amorf fémből, milliméteres skálával

Az amorf fém (más néven fémes üveg vagy üveges fém ) szilárd fémanyag , általában ötvözet , rendezetlen atomi szerkezetű. A legtöbb fém szilárd állapotában kristályos , ami azt jelenti, hogy az atomok elrendeződése erős . Az amorf fémek nem kristályosak és üvegszerű szerkezetűek . A hagyományos üvegekkel, például az ablaküvegekkel ellentétben, amelyek tipikusan elektromos szigetelők , az amorf fémek jó elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, és szupravezető képességgel is rendelkeznek alacsony hőmérsékleten.

Az amorf fémek előállításának számos módja van, beleértve a rendkívül gyors hűtést , a fizikai gőzlerakódást , a szilárdtest-reakciót , az ion besugárzást és a mechanikus ötvözést . Korábban kis sorozatú amorf fémeket gyártottak különféle gyorshűtési módszerekkel, például amorf fémszalagokkal, amelyeket olvadt fém forgó fémkorongra történő porlasztásával ( olvadékfonással ) állítottak elő. A gyors lehűlés (másodpercenként millió Celsius fok nagyságrendben) túl gyors ahhoz, hogy kristályok képződjenek, és az anyag üveges állapotban "lezárva". Jelenleg számos olyan ötvözetet állítottak elő, amelyek kritikus hűtési sebessége elég alacsony ahhoz, hogy lehetővé tegye az amorf szerkezet kialakulását vastag (1 millimétert meghaladó) rétegekben. ezeket ömlesztett fémüvegnek ( BMG ) nevezik . A közelmúltban a hagyományos acélötvözetek háromszoros erősségű amorf acél tételét gyártották.

Történelem

Az első jelentett fémüveg volt ötvözetet (Au 75 Si 25 ) termelt Caltech W. Klement (Jr.), Willens és Duwez 1960-ban Ez és más korai üvegképző ötvözetek hűtendő rendkívül gyorsan (a sorrendben egy mega kelvin másodpercenként, 10 6  K/s) a kristályosodás elkerülése érdekében. Ennek fontos következménye az volt, hogy fémes üvegeket csak korlátozott számú formában (jellemzően szalagok, fóliák vagy huzalok) lehetett előállítani, amelyekben az egyik méret kicsi volt, így a szükséges hűtési sebesség eléréséhez elég gyorsan el lehetett távolítani a hőt. Ennek eredményeként a fémes üvegminták (néhány kivételtől eltekintve) száz mikrométer alatti vastagságra korlátozódtak .

1969 -ben egy 77,5% palládium , 6% réz és 16,5% szilícium ötvözet kritikus hűtési sebessége 100 és 1000 K/s között volt.

1976-ban H. Liebermann és C. Graham kifejlesztettek egy új módszert vékony szalagok előállítására amorf fémből egy túlhűtött, gyorsan forgó kerékre . Ez vas , nikkel és bór ötvözete volt . A Metglas néven ismert anyagot az 1980-as évek elején forgalmazták, és alacsony veszteségű áramelosztó transzformátorokhoz ( amorf fém transzformátor ) használják. Metglas-2605 áll 80% vasat és 20% bór, van Curie hőmérséklete a 373 ° C és szobahőmérséklet telítési mágnesezettsége 1,56 tesla .

A nyolcvanas évek elején 5 mm átmérőjű üveges öntvényeket állítottak elő 55% palládium, 22,5% ólom és 22,5% antimon ötvözetéből, felületi maratással, amelyet melegítés-hűtés ciklus követett. Használata bór-oxid fluxus , az elérhető vastagság-ra emeljük egy centiméter.

1982 -ben az amorf fémszerkezeti ellazulást vizsgáló tanulmány összefüggést mutatott a (Fe 0,5 Ni 0,5 ) 83 P 17 fajhő és hőmérséklet között . Az anyag felmelegedésekor a tulajdonságok 375 K -tól kezdődően negatív kapcsolatot alakítottak ki, ami a nyugodt amorf állapotok megváltozásának volt köszönhető. Amikor az anyagot 1-48 óráig izzították, a tulajdonságok pozitív kapcsolatot mutattak ki 475 K -tól kezdődően minden hőkezelési periódusra, mivel az izzítás indukálta szerkezet eltűnik ezen a hőmérsékleten. Ebben a tanulmányban az amorf ötvözetek üvegátmenetet és szuperhűtött folyadékrégiót mutattak. 1988 és 1992 között több tanulmányban több üveg típusú ötvözetet találtak üvegátmenetsel és szuperhűtéses folyadékrésszel. Ezekből a vizsgálatokból az ömlesztett üvegötvözetek La, Mg és Zr anyagból készültek, és ezek az ötvözetek plaszticitást mutattak még akkor is, ha szalagvastagságukat 20 μm -ről 50 μm -re növelték. A plaszticitás éles különbség volt a korábbi amorf fémekkel szemben, amelyek törékenyek lettek ilyen vastagságban.

1988-ban megállapították, hogy a lantán, az alumínium és a rézérc ötvözetei erősen üvegképzőek. A Scandium-t tartalmazó Al-alapú fémüvegek rekord típusú, körülbelül 1500 MPa szakítószilárdságot mutattak.

Mielőtt 1990-ben új technikákat találtak, néhány milliméter vastagságú, ömlesztett amorf ötvözetek ritkák voltak, néhány kivételtől eltekintve, a Pd-alapú amorf ötvözeteket 2 mm átmérőjű rudakká formálták kioltással, és 10 mm átmérőjű gömböket. ismétlődő fluxus B 2 O 3 -val történő olvasztásával és leállításával jöttek létre .

A kilencvenes években új ötvözeteket fejlesztettek ki, amelyek üvegeket alkotnak, akár 1 kelvin másodpercenként. Ezeket a hűtési sebességeket egyszerűen fémöntvényekbe öntéssel lehet elérni. Ezek az "ömlesztett" amorf ötvözetek akár több centiméter vastagságú részekbe is önthetők (a maximális vastagság az ötvözettől függően), miközben megtartják az amorf szerkezetet. A legjobb üvegképző ötvözetek cirkóniumon és palládiumon alapulnak, de ismertek vas , titán , réz , magnézium és más fémek alapján készült ötvözetek is. Sok amorf ötvözet keletkezik a "zavartság" hatásnak nevezett jelenség kiaknázásával. Az ilyen ötvözetek olyan sok különböző elemet tartalmaznak (gyakran négyet vagy többet), hogy kellően gyors sebességgel történő hűtéskor az alkotó atomok egyszerűen nem tudnak egyensúlyi kristályos állapotba kerülni, mielőtt a mobilitásuk leáll. Ily módon az atomok véletlenszerű rendezetlen állapota "bezárul".

1992 -ben a kereskedelmi amorf ötvözetet, a Vitreloy 1 -et (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni és 22,5% Be) fejlesztették ki a Caltechben, az Energiaügyi Minisztérium és a NASA új kutatási részeként. űrhajózási anyagok.

2000-kutatás Tohoku Egyetem és Caltech így többkomponensű alapuló ötvözetek lantán, magnézium, cirkónium, palládium, vas, réz, és a titán, a kritikus hűtési sebesség 1 K / s és 100 K / s, hasonló oxid-üvegek.

2004-ben az ömlesztett amorf acélt két csoport sikeresen előállította: az egyik az Oak Ridge National Laboratory-ban , aki "üveges acélnak" nevezi a terméküket, a másik pedig a Virginiai Egyetemen, "DARVA-Glass 101" néven. A termék nem mágneses át szobahőmérsékleten és sokkal erősebb, mint a hagyományos acél, bár egy hosszú kutatási és fejlesztési folyamat maradványai bevezetése előtt az anyagot állami vagy katonai használatra.

2018 -ban a SLAC National Accelerator Laboratory , a National Institute of Standards and Technology (NIST) és az északnyugati egyetem csapata mesterséges intelligencia felhasználásáról számolt be , hogy egy év alatt 20 000 különböző valószínűségű fémüvegötvözet mintáját jósolják meg és értékelik. Módszereik azt ígérik, hogy felgyorsítják a kutatást és az új amorf fémötvözetek piacra kerülésének idejét.

Tulajdonságok

Az amorf fém általában ötvözet, nem pedig tiszta fém. Az ötvözetek jelentősen eltérő méretű atomokat tartalmaznak, ami alacsony szabad térfogathoz vezet (és ezáltal nagyságrendekkel magasabb viszkozitású, mint más fémek és ötvözetek) olvadt állapotban. A viszkozitás megakadályozza, hogy az atomok megfelelően mozogjanak, hogy rendezett rácsot képezzenek. Az anyag szerkezete szintén alacsony zsugorodást eredményez a hűtés során, és ellenáll a műanyag deformációnak. A szemcsehatárok hiánya , a kristályos anyagok gyenge pontjai jobb kopás- és korrózióállóságot eredményeznek . Az amorf fémek, bár műszakilag üvegek, sokkal keményebbek és kevésbé törékenyek, mint az oxidüvegek és kerámiák. Az amorf fémek két kategóriába sorolhatók, nem ferromágnesesként, ha Ln, Mg, Zr, Ti, Pd, Ca, Cu, Pt és Au, vagy ferromágneses ötvözetekből állnak, ha Fe, Co és Ni.

Az amorf anyagok hővezető képessége alacsonyabb, mint a kristályos fémeké. Mivel az amorf szerkezet kialakulása gyors lehűlésen alapul, ez korlátozza az amorf szerkezetek maximális elérhető vastagságát. Annak érdekében, hogy még lassabb hűtés közben is kialakuljon az amorf szerkezet, az ötvözetnek három vagy több komponensből kell készülnie, ami összetett kristályegységeket eredményez, nagyobb potenciális energiával és kisebb kialakulási esélyekkel. A komponensek atom sugarának jelentősen eltérőnek kell lennie (több mint 12%), hogy nagy csomagolási sűrűséget és alacsony szabad térfogatot érjen el. A komponensek kombinációjának negatív keverési hővel kell rendelkeznie, gátolva a kristálymagképződést és meghosszabbítva azt az időt, amíg az olvadt fém túlhűtött állapotban marad .

A hőmérséklet változásával az amorf fémek elektromos ellenállása nagyon másképp viselkedik, mint a hagyományos fémeké. Míg a hagyományos fémek ellenállása általában növekszik a hőmérséklettel, a Matthiessen -szabályt követve , az amorf fémek ellenállása a hőmérséklet növekedésével csökken. Ez a hatás megfigyelhető amorf fémekben, amelyek nagy ellenállóképességűek 150 μΩcm és 300 μΩcm között. Ezekben a fémekben a fém ellenállását okozó szórási események már nem tekinthetők statisztikailag függetlennek, és ez magyarázza a Matthiessen -szabály bontását. Mooij először 1973-ban figyelte meg azt a tényt, hogy az amorf fémek ellenállásának hőváltozása nagy hőmérséklet-tartományban negatív lehet, és korrelálhat abszolút ellenállási értékeikkel.

A bór , szilícium , foszfor és más mágneses fémeket ( vas , kobalt , nikkel ) tartalmazó ötvözetek ötvözetei nagy mágneses érzékenységgel rendelkeznek , alacsony kényszerítő képességgel és nagy elektromos ellenállással . Általában egy fémüveg elektromos vezetőképessége ugyanolyan alacsony nagyságrendű, mint egy olvadt fémé, közvetlenül az olvadáspont felett. A nagy ellenállás változó mágneses terek hatására alacsony örvényveszteséghez vezet , ami hasznos például a transzformátor mágneses magjai számára . Alacsony kényszerítő képességük is hozzájárul az alacsony veszteséghez.

Az amorf fémvékony filmek szupravezető képességét Buckel és Hilsch fedezte fel kísérletileg az 1950 -es évek elején. Bizonyos fémes elemek esetében a szupravezető kritikus T c hőmérséklet magasabb lehet amorf állapotban (pl. Ötvözéskor), mint kristályos állapotban, és több esetben a T c növekszik a szerkezeti zavar fokozódásával. Ez a viselkedés megérthető és ésszerűsíthető, ha figyelembe vesszük a szerkezeti rendellenességnek az elektron-fonon csatolásra gyakorolt ​​hatását.

Az amorf fémek szakítószilárdsága nagyobb, és rugalmasságuk nagyobb, mint a polikristályos fémötvözeteké, de rugalmasságuk és fáradási szilárdságuk alacsonyabb. Az amorf ötvözetek számos potenciálisan hasznos tulajdonsággal rendelkeznek. Különösen erősebbek, mint a hasonló kémiai összetételű kristályos ötvözetek, és nagyobb reverzibilis ("rugalmas") deformációkat képesek elviselni, mint a kristályos ötvözetek. Az amorf fémek szilárdságukat közvetlenül a nem kristályos szerkezetükből nyerik, amelynek nincsenek olyan hibái (például diszlokációk ), amelyek korlátozzák a kristályos ötvözetek szilárdságát. Az egyik modern amorf fém, Vitreloy néven ismert, szakítószilárdsága majdnem kétszerese a kiváló minőségű titánnak . A szobahőmérsékletű fémüvegek azonban nem hajlékonyak, és feszültség alatt betöltve hajlamosak hirtelen meghibásodni , ami korlátozza az anyag alkalmazhatóságát a megbízhatóság szempontjából kritikus alkalmazásokban, mivel a közelgő meghibásodás nem nyilvánvaló. Ezért nagy az érdeklődés a fém mátrix kompozitok előállítása iránt, amelyek fémes üvegmátrixból állnak, amelyek dendrites részecskéket vagy képlékeny kristályos fémszálakat tartalmaznak.

Az ömlesztett amorf ötvözetek talán leghasznosabb tulajdonsága, hogy valódi üvegek, ami azt jelenti, hogy hevítéskor lágyulnak és folynak. Ez lehetővé teszi a könnyű feldolgozást, például fröccsöntéssel , ugyanúgy, mint a polimereket . Ennek eredményeként kereskedelmi forgalomba kerültek az amorf ötvözetek, amelyeket sporteszközökben, orvostechnikai eszközökben és elektronikus berendezésekben használtak.

Az amorf fémek vékony filmjeit nagy sebességű oxigén üzemanyag -technikával lehet lerakni védőbevonatként.

Alkalmazások

Kereskedelmi

Jelenleg a legfontosabb alkalmazás néhány ferromágneses fémüveg különleges mágneses tulajdonságainak köszönhető. Az alacsony mágnesezési veszteséget nagy hatékonyságú transzformátorokban ( amorf fém transzformátor ) használják vonali frekvencián és néhány magasabb frekvenciájú transzformátorban. Az amorf acél nagyon törékeny anyag, ami megnehezíti a motoros laminálásokba való lyukasztást. Az elektronikus cikkfelügyelet (például a lopásgátló passzív azonosító címkék) is gyakran használnak fémes szemüveget e mágneses tulajdonságaik miatt.

Kereskedelmi amorf ötvözetet, a Vitreloy 1 -et (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni és 22,5% Be) fejlesztettek ki a Caltechben, az Energiaügyi Minisztérium és a NASA új űrhajózási anyagok kutatásának részeként .

A Ti-alapú fémüveg, ha vékony csöveket készítenek, nagy szakítószilárdságuk 2100 MPA, rugalmas nyúlásuk 2% és nagy korrózióállóságuk van. Ezen tulajdonságok felhasználásával egy Ti – Zr – Cu – Ni – Sn fémüveget használtak a Coriolis áramlásmérő érzékenységének javítására. Ez az áramlásmérő körülbelül 28-53-szor érzékenyebb, mint a hagyományos mérők, amelyeket fosszilis tüzelőanyagok, vegyipar, környezetvédelem, félvezetők és orvostudomány területén lehet alkalmazni.

A Zr-Al-Ni-Cu alapú fémüveg 2,2–5 mm-re alakítható 4 mm-es nyomásérzékelőkkel az autóiparban és más iparágakban, és ezek az érzékelők kisebbek, érzékenyebbek és nagyobb nyomásállósággal rendelkeznek, mint a hagyományos rozsdamentes acél hideg munka. Ezenkívül ebből az ötvözetből készült a világ legkisebb, 1,5 mm és 9,9 mm átmérőjű hajtóműves motorja, amelyet akkor gyártottak és értékesítettek.

Lehetséges

Az amorf fémek egyedi lágyító viselkedést mutatnak üvegesedésük felett, és ezt a lágyítást egyre inkább kutatják a fémüvegek hőre lágyuló formázásánál. Az ilyen alacsony lágyulási hőmérséklet egyszerű módszerek kidolgozását teszi lehetővé nanorészecskék (pl. Szén nanocsövek ) és BMG kompozitok készítéséhez . Bebizonyosodott, hogy a fémes üvegek rendkívül kis hosszúságú skálákon mintázhatók, 10 nm -től több milliméterig. Ez megoldhatja a nanoimprint litográfia problémáit, amikor a drága szilíciumból készült nanoformák könnyen eltörnek. A fémüvegekből készült nanoformákat könnyű előállítani és tartósabbak, mint a szilícium formák. A BMG -k kiváló elektronikai, termikus és mechanikai tulajdonságai a polimerekhez képest jó választásnak bizonyulnak az elektronikus alkalmazásra alkalmas nanokompozitok, például terepi elektronkibocsátó eszközök fejlesztésére.

Úgy gondolják, hogy a Ti 40 Cu 36 Pd 14 Zr 10 nem rákkeltő, körülbelül háromszor erősebb, mint a titán, és rugalmassági modulusa közel megegyezik a csontokkal . Nagy kopásállósággal rendelkezik, és nem termel kopásport. Az ötvözet nem zsugorodik a megszilárduláskor. Lézerimpulzusokkal történő felületmódosítással biológiailag rögzíthető felületi struktúra állítható elő, amely lehetővé teszi a csontokkal való jobb összekapcsolódást.

Az amorf szerkezet elérése érdekében gyorsan lehűtött Mg 60 Zn 35 Ca 5 -öt vizsgálják a Lehigh Egyetemen, mint biológiai anyagot csontokba , csavarokba, csapokba vagy lemezekbe történő beültetésre , a törések rögzítésére. A hagyományos acéltól vagy titántól eltérően ez az anyag havonta nagyjából 1 milliméter sebességgel oldódik fel a szervezetekben, és csontszövetre cserélődik. Ez a sebesség a cinktartalom változtatásával állítható be.

Additív gyártás

A fémes üveg szintetizálása során az egyik kihívás az, hogy a technikák gyakran csak nagyon kis mintákat állítanak elő a nagy hűtési sebesség miatt. 3D nyomtatási módszereket javasoltak nagyobb tömeges minták létrehozására. A szelektív lézerolvadás (SLM) egy példa az additív gyártási módszerre, amelyet vasalapú fémüvegek készítésére használtak. A lézeres fólianyomtatás (LFP) egy másik módszer, ahol az amorf fémek fóliáit egymásra rakják és hegesztik, rétegenként.

Modellezés és elmélet

Az ömlesztett fémes üvegeket (BMG -ket) most a nagy entrópiájú ötvözetekhez hasonló módon, atomskála -szimulációkkal (a sűrűségfüggvény elmélet keretein belül) modellezték . Ez lehetővé tette előrejelzéseket viselkedésükről, stabilitásukról és még sok más tulajdonságukról. Mint ilyenek, az új BMG-rendszerek tesztelhetők és testreszabhatók egy adott célra (pl. Csontpótlás vagy repülőgép-hajtómű- alkatrész) anélkül, hogy a fázistér empirikus keresése vagy kísérleti kísérlet és hiba lenne. Mindazonáltal annak meghatározása, hogy melyik atomszerkezet szabályozza a fémüveg alapvető tulajdonságait, az évek óta tartó aktív kutatások ellenére meglehetősen nehéznek bizonyult.

Az amorf fémek elektronikus tulajdonságainak megértésének egyik gyakori módja az, hogy összehasonlítjuk őket folyékony fémekkel, amelyek hasonlóan rendezetlenek, és amelyekre vonatkozóan léteznek elméleti keretek. Az egyszerű amorf fémek esetében jó becslések érhetők el az egyes elektronok mozgásának félklasszikus modellezésével a Boltzmann-egyenlet segítségével, és a szórási potenciál közelítésével, mint a környező fémben lévő egyes atomok elektronikus potenciáljának szuperpozíciója. A számítások egyszerűsítése érdekében az atommagok elektronikus potenciáljait csonkolva muffin-ón pszeudopotenciált kaphatunk. Ebben az elméletben két fő hatás létezik, amelyek szabályozzák az ellenállás változását a hőmérséklet emelkedésével. Mindkettő a fém atommagjainak rezgésének indukcióján alapul, ahogy a hőmérséklet emelkedik. Az egyik az, hogy az atomi szerkezet egyre jobban elkenődik, mivel az atommagok pontos helyzete egyre kevésbé lesz jól meghatározható. A másik a fononok bevezetése. Míg az elkenődés általában csökkenti a fém ellenállását, a fononok bevezetése általában hozzáadja a szórási helyeket, és ezért növeli az ellenállást. Együtt meg tudják magyarázni az amorf fémek ellenállásának rendellenes csökkenését, mivel az első rész felülmúlja a másodikat. A hagyományos kristályos fémekkel ellentétben az amorf fém fonon hozzájárulása nem fagy le alacsony hőmérsékleten. A meghatározott kristályszerkezet hiánya miatt mindig vannak olyan fononhullámok, amelyek gerjeszthetők. Bár ez a félig klasszikus megközelítés sok amorf fém esetében jól alkalmazható, általában szélsőségesebb körülmények között bomlik le. Nagyon alacsony hőmérsékleten az elektronok kvantum jellege az elektronok hosszú távú interferenciahatásaihoz vezet, amelyeket "gyenge lokalizációs hatásoknak" neveznek. Nagyon erősen rendezetlen fémekben az atomszerkezetben lévő szennyeződések kötött elektronikus állapotokat indukálhatnak úgynevezett " Anderson -lokalizációban ", hatékonyan megkötve az elektronokat és gátolva azok mozgását.

Lásd még

Hivatkozások

További irodalom

Külső linkek