Amorft metall - Amorphous metal

Prøver av amorft metall, med millimeter skala

Et amorft metall (også kjent som metallglass eller glassaktig metall ) er et solid metallisk materiale, vanligvis en legering , med uordnet atomskala struktur. De fleste metaller er krystallinske i fast tilstand, noe som betyr at de har et høyt ordnet arrangement av atomer . Amorfe metaller er ikke-krystallinske og har en glasslignende struktur . Men i motsetning til vanlige glass, for eksempel vindusglass, som vanligvis er elektriske isolatorer , har amorfe metaller god elektrisk ledningsevne, og de viser også superledning ved lave temperaturer.

Det er flere måter som kan produsere amorfe metaller på, inkludert ekstremt rask avkjøling , fysisk dampavsetning , faststoffreaksjon , ionestråling og mekanisk legering . Tidligere hadde små partier amorfe metaller blitt produsert ved hjelp av en rekke hurtigkjølingsmetoder, for eksempel amorfe metallbånd som hadde blitt produsert ved sputring av smeltet metall på en spinnende metallskive ( smeltespinning ). Den raske avkjølingen (i størrelsesorden millioner av grader Celsius i sekundet) er for rask til at det dannes krystaller og materialet "låses" i en glassaktig tilstand. Foreløpig er det produsert en rekke legeringer med kritiske kjølehastigheter som er lave nok til å tillate dannelse av amorf struktur i tykke lag (over 1 millimeter); disse er kjent som bulk metallic glass ( BMG ). Mer nylig er det produsert partier av amorft stål med tre ganger styrken til konvensjonelle stållegeringer.

Historie

Det første metallglasset som ble rapportert var en legering (Au 75 Si 25 ) produsert på Caltech av W. Klement (Jr.), Willens og Duwez i 1960. Denne og andre tidlige glassdannende legeringer måtte avkjøles ekstremt raskt (på bestilling) av en mega kelvin per sekund, 10 6  K / s) for å unngå krystallisasjon. En viktig konsekvens av dette var at metallglass bare kunne produseres i et begrenset antall former (vanligvis bånd, folier eller ledninger) der en dimensjon var liten, slik at varme kunne utvinnes raskt nok for å oppnå nødvendig kjølehastighet. Som et resultat var metalliske glassprøver (med noen få unntak) begrenset til tykkelser på mindre enn hundre mikrometer .

I 1969 ble det funnet at en legering på 77,5% palladium , 6% kobber og 16,5% silisium hadde en kritisk kjølehastighet mellom 100 og 1000 K/s.

I 1976 utviklet H. Liebermann og C. Graham en ny metode for å produsere tynne bånd av amorft metall på et avkjølt hurtigspinnende hjul . Dette var en legering av jern , nikkel og bor . Materialet, kjent som Metglas , ble kommersialisert på begynnelsen av 1980-tallet og brukes til transformatorer med lav tapstrømfordeling ( amorf metalltransformator ). Metglas-2605 består av 80% jern og 20% ​​bor, har Curie-temperatur på 373 ° C og metning med romtemperatur-metning på 1,56 teslas .

På begynnelsen av 1980-tallet ble glassete ingots med 5 mm diameter produsert av legeringen av 55% palladium, 22,5% bly og 22,5% antimon, ved overflateetsing etterfulgt av varmekjølingssykluser. Ved hjelp av boroksid fluks , ble den oppnåelige tykkelse økes til en centimeter.

I 1982 indikerte en studie om amorfe metallkonstruksjoner en relasjon mellom den spesifikke varmen og temperaturen på (Fe 0,5 Ni 0,5 ) 83 P 17 . Etter hvert som materialet ble oppvarmet, utviklet eiendommene et negativt forhold som startet ved 375 K, som skyldtes endringen i avslappede amorfe tilstander. Når materialet ble glødet i perioder fra 1 til 48 timer, utviklet egenskapene et positivt forhold som startet ved 475 K for alle glødingsperioder, siden den glødingsinduserte strukturen forsvinner ved den temperaturen. I denne studien demonstrerte amorfe legeringer glassovergang og et superkjølt væskeområde. Mellom 1988 og 1992 fant flere studier flere legeringer av glasstype med glassovergang og et superkjølt væskeområde. Fra disse studiene ble bulkglasslegeringer laget av La, Mg og Zr, og disse legeringene viste plastisitet selv når båndtykkelsen ble økt fra 20 μm til 50 μm. Plastisiteten var en sterk forskjell fra tidligere amorfe metaller som ble sprø i disse tykkelsene.

I 1988 viste det seg at legeringer av lantan, aluminium og kobbermalm var sterkt glassdannende. Al-baserte metallglass inneholdende Scandium viste en rekordtrekkfasthet på omtrent 1500 MPa.

Før nye teknikker ble funnet i 1990, var store amorfe legeringer med flere millimeter tykkelse sjeldne, bortsett fra noen få unntak, hadde Pd-baserte amorfe legeringer blitt formet til stenger med en diameter på 2 mm ved slukking og kuler med en diameter på 10 mm ble dannet ved gjentagelse fluks smelting med B 2 O 3 og bråkjøling.

På 1990 -tallet ble det utviklet nye legeringer som danner glass med kjølehastigheter så lave som en kelvin per sekund. Disse kjølehastighetene kan oppnås ved enkel støping i metalliske former. Disse "store" amorfe legeringene kan støpes i deler på opptil flere centimeter i tykkelse (maksimal tykkelse avhengig av legeringen) samtidig som de beholder en amorf struktur. De beste glassdannende legeringene er basert på zirkonium og palladium , men legeringer basert på jern , titan , kobber , magnesium og andre metaller er også kjent. Mange amorfe legeringer dannes ved å utnytte et fenomen som kalles "forvirring" -effekten. Slike legeringer inneholder så mange forskjellige elementer (ofte fire eller flere) at ved avkjøling med tilstrekkelig raske hastigheter kan de bestanddelene atomer rett og slett ikke koordinere seg inn i likevektskrystallinsk tilstand før mobiliteten stoppes. På denne måten er atomene tilfeldig uordenstilstand "låst inne".

I 1992 ble den kommersielle amorfe legeringen Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni og 22,5% Be) utviklet ved Caltech, som en del av Department of Energy og NASA forskning av nye luftfartsmaterialer.

I 2000 ga forskning ved Tohoku University og Caltech flerkomponentlegeringer basert på lantan, magnesium, zirkonium, palladium, jern, kobber og titan, med kritisk kjølehastighet mellom 1 K/s til 100 K/s, sammenlignbar med oksidglass.

I 2004 ble amorft bulkstål produsert med suksess av to grupper: en ved Oak Ridge National Laboratory , som omtaler produktet sitt som "glassaktig stål", og den andre ved University of Virginia , og kalte deres "DARVA-Glass 101". Produktet er ikke- magnetisk ved romtemperatur og betydelig sterkere enn konvensjonelt stål, selv om det gjenstår en lang forsknings- og utviklingsprosess før materialet tas i bruk i offentlig eller militær bruk.

I 2018 rapporterte et team ved SLAC National Accelerator Laboratory , National Institute of Standards and Technology (NIST) og Northwestern University om bruk av kunstig intelligens for å forutsi og evaluere prøver av 20 000 forskjellige sannsynlige metallglasslegeringer i løpet av et år. Metodene deres lover å øke hastigheten på forskning og tid til markedet for nye amorfe metallegeringer.

Egenskaper

Amorft metall er vanligvis en legering i stedet for et rent metall. Legeringene inneholder atomer av vesentlig forskjellige størrelser, noe som fører til lavt fritt volum (og derfor opp til størrelsesordener høyere viskositet enn andre metaller og legeringer) i smeltet tilstand. Viskositeten forhindrer atomer i å bevege seg nok til å danne et ordnet gitter. Materialstrukturen resulterer også i lav krymping under avkjøling, og motstand mot plastisk deformasjon. Fraværet av korngrenser , de svake flekkene til krystallinske materialer, fører til bedre motstand mot slitasje og korrosjon . Amorfe metaller, mens de teknisk sett er glass, er også mye tøffere og mindre sprø enn oksidglass og keramikk. Amorfe metaller kan grupperes i to kategorier, som enten ikke-ferromagnetiske, hvis de er sammensatt av Ln, Mg, Zr, Ti, Pd, Ca, Cu, Pt og Au, eller ferromagnetiske legeringer, hvis de er sammensatt av Fe, Co og Ni.

Termisk ledningsevne for amorfe materialer er lavere enn for krystallinsk metall. Siden dannelsen av en amorf struktur er avhengig av rask avkjøling, begrenser dette maksimal oppnåelig tykkelse på amorfe strukturer. For å oppnå dannelse av amorf struktur selv under langsommere avkjøling, må legeringen være laget av tre eller flere komponenter, noe som fører til komplekse krystallenheter med høyere potensiell energi og lavere sjanse for dannelse. Den atomradius av komponentene må være signifikant forskjellige (over 12%), for å oppnå høy pakningstetthet og lavt innhold av fritt volum. Kombinasjonen av komponenter bør ha negativ blandingsvarme, hemme krystallkjerneforming og forlenge tiden det smeltede metallet forblir i underkjølt tilstand.

Når temperaturen endres, oppfører den elektriske resistiviteten til amorfe metaller seg veldig annerledes enn vanlige metaller. Mens resistiviteten i vanlige metaller generelt øker med temperaturen, etter Matthiessens regel , er det funnet at resistiviteten i et stort antall amorfe metaller reduseres med økende temperatur. Denne effekten kan observeres i amorfe metaller med høy resistivitet mellom 150 μΩcm til 300 μΩcm. I disse metallene kan spredningshendelsene som forårsaker metallets resistivitet ikke lenger betraktes som statistisk uavhengige, og forklarer dermed sammenbruddet av Matthiessens regel. Det faktum at den termiske endringen av resistiviteten i amorfe metaller kan være negativ over et stort temperaturområde og korrelert med deres absolutte resistivitetsverdier, ble først observert av Mooij i 1973, og dermed myntet begrepet "Mooij-regel".

Legeringene av bor , silisium , fosfor og andre glassdannere med magnetiske metaller ( jern , kobolt , nikkel ) har høy magnetisk følsomhet , med lav koercivitet og høy elektrisk motstand . Vanligvis er den elektriske ledningsevnen til et metallglass av samme lave størrelsesorden som for et smeltet metall like over smeltepunktet. Den høye motstanden fører til lave tap av virvelstrømmer når de utsettes for vekslende magnetfelt, en egenskap som er nyttig for f.eks. Transformatorens magnetiske kjerner . Deres lave tvangskapasitet bidrar også til lavt tap.

Den superledning av amorfe metal tynne filmer ble funnet eksperimentelt i de tidlige 1950-årene ved å Buckel og Hilsch. For visse metalliske elementer at den superledende kritiske temperatur T c kan være høyere i amorf tilstand (for eksempel ved å legere) enn i krystallinsk tilstand, og i flere tilfeller t c øker ved å øke strukturell uorden. Denne oppførselen kan forstås og rasjonaliseres ved å vurdere effekten av strukturell lidelse på elektron-fonon-koblingen.

Amorfe metaller har høyere strekkgrense og høyere elastiske strekkgrenser enn polykrystallinske metallegeringer, men deres formbarhet og utmattelsesstyrke er lavere. Amorfe legeringer har en rekke potensielt nyttige egenskaper. Spesielt har de en tendens til å være sterkere enn krystallinske legeringer med lignende kjemisk sammensetning, og de kan opprettholde større reversible ("elastiske") deformasjoner enn krystallinske legeringer. Amorfe metaller henter sin styrke direkte fra deres ikke-krystallinske struktur, som ikke har noen av defektene (for eksempel dislokasjoner ) som begrenser styrken til krystallinske legeringer. Ett moderne amorft metall, kjent som Vitreloy , har en strekkfasthet som er nesten det dobbelte av titan av høy kvalitet . Imidlertid er metallglass ved romtemperatur ikke duktile og har en tendens til å mislykkes plutselig når de belastes i spenning , noe som begrenser materialets anvendelighet i pålitelighetskritiske applikasjoner, ettersom den forestående feilen ikke er tydelig. Derfor er det stor interesse for å produsere metallmatrisekompositter bestående av en metallisk glassmatrise som inneholder dendritiske partikler eller fibre av et duktilt krystallinsk metall.

Den kanskje mest nyttige egenskapen til amorfe bulklegeringer er at de er ekte glass, noe som betyr at de mykner og flyter ved oppvarming. Dette muliggjør enkel behandling, for eksempel ved sprøytestøping , på omtrent samme måte som polymerer . Som et resultat har amorfe legeringer blitt kommersialisert for bruk i sportsutstyr, medisinsk utstyr og som esker for elektronisk utstyr.

Tynne filmer av amorfe metaller kan deponeres via høyhastighets oksygenbrenselsteknikk som beskyttende belegg.

applikasjoner

Kommersiell

For tiden er den viktigste applikasjonen på grunn av de spesielle magnetiske egenskapene til noen ferromagnetiske metallglass. Det lave magnetiseringstapet brukes i høyeffektive transformatorer ( amorf metalltransformator ) ved linjefrekvens og noen høyere frekvenstransformatorer. Amorft stål er et veldig sprø materiale som gjør det vanskelig å slå inn i motorlaminasjoner. Også elektronisk artikkelovervåking (for eksempel tyverisikring av passive ID -tagger) bruker ofte metallglass på grunn av disse magnetiske egenskapene.

En kommersiell amorf legering, Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni og 22,5% Be), ble utviklet hos Caltech, som en del av Department of Energy og NASA -forskning av nye luftfartsmaterialer.

Ti-basert metallglass, når det gjøres til tynne rør, har en høy strekkfasthet på 2100 MPA, elastisk forlengelse på 2% og høy korrosjonsbestandighet. Ved å bruke disse egenskapene ble et Ti – Zr – Cu – Ni – Sn metallglass brukt for å forbedre følsomheten til en Coriolis -strømningsmåler. Denne strømningsmåler er omtrent 28-53 ganger mer følsom enn konvensjonelle målere, som kan brukes i industrien for fossilt brensel, kjemikalier, miljø, halvleder og medisinsk vitenskap.

Zr-Al-Ni-Cu-basert metallglass kan formes til 2,2–5 mm x 4 mm trykksensorer for bil og andre næringer, og disse sensorene er mindre, mer følsomme og har større trykkutholdenhet sammenlignet med konvensjonelt rustfritt stål laget av kaldt arbeid. I tillegg ble denne legeringen brukt til å lage verdens minste girmotor med diameter 1,5 mm og 9,9 mm som skulle produseres og selges den gangen.

Potensiell

Amorfe metaller har en unik mykningsadferd over glassovergangen, og denne mykningen har i økende grad blitt utforsket for termoplastisk forming av metallglass. En slik lav mykningstemperatur gjør det mulig å utvikle enkle metoder for å lage kompositter av nanopartikler (f.eks. Karbon -nanorør) og BMG -er. Det har blitt vist at metallglass kan mønstres på skalaer med ekstremt liten lengde fra 10 nm til flere millimeter. Dette kan løse problemene med nanoimprint litografi der dyre nano-former laget av silisium lett går i stykker. Nanoformer laget av metallglass er enkle å lage og mer holdbare enn silikonformer. De overlegne elektroniske, termiske og mekaniske egenskaper av BMGs sammenlignet med polymerer som gjør dem et godt alternativ for å utvikle nanokompositter for elektronisk anvendelse, slik som felt elektronemisjons- enheter.

Ti 40 Cu 36 Pd 14 Zr 10 antas å være ikke -kreftfremkallende, er omtrent tre ganger sterkere enn titan, og dens elastiske modul samsvarer nesten med bein . Den har høy slitestyrke og produserer ikke slitasjepulver. Legeringen blir ikke krympet ved størkning. En overflatestruktur kan genereres som er biologisk festbar ved overflatemodifisering ved hjelp av laserpulser, noe som gir bedre sammenføyning med bein.

Mg 60 Zn 35 Ca 5 , raskt avkjølt for å oppnå amorf struktur, blir ved Lehigh University undersøkt som et biomateriale for implantasjon i bein som skruer, pinner eller plater, for å fikse brudd. I motsetning til tradisjonelt stål eller titan, løses dette materialet opp i organismer med en hastighet på omtrent 1 millimeter per måned og erstattes med beinvev. Denne hastigheten kan justeres ved å variere innholdet av sink.

Additiv produksjon

En utfordring ved syntetisering av et metallglass er at teknikkene ofte bare produserer veldig små prøver, på grunn av behovet for høye kjølehastigheter. 3D-utskriftsmetoder har blitt foreslått som en metode for å lage større bulkprøver. Selektiv lasersmelting (SLM) er et eksempel på en additiv produksjonsmetode som har blitt brukt til å lage jernbaserte metallglass. Laserfolieutskrift (LFP) er en annen metode der folier av de amorfe metallene stables og sveises sammen, lag for lag.

Modellering og teori

Bulk metalliske briller (BMG) har nå blitt modellert ved hjelp av atomskala simuleringer (innenfor tetthetsfunksjonell teoriramme) på lignende måte som legeringer med høy entropi . Dette har gjort det mulig å spå om deres oppførsel, stabilitet og mange flere egenskaper. Som sådan kan nye BMG-systemer testes og skreddersys for et bestemt formål (f.eks. Beinutskifting eller flymotorkomponent ) uten så mye empirisk søk etter faseområdet eller eksperimentelle forsøk og feil. Imidlertid har identifiseringen av hvilke atomstrukturer som styrer de essensielle egenskapene til et metallglass, til tross for mange års aktiv forskning, vist seg å være ganske utfordrende.

En vanlig måte å prøve å forstå de elektroniske egenskapene til amorfe metaller er ved å sammenligne dem med flytende metaller, som er like uordnede, og som det finnes etablerte teoretiske rammer for. For enkle amorfe metaller kan gode estimater oppnås ved semi-klassisk modellering av bevegelsen av individuelle elektroner ved bruk av Boltzmann-ligningen og tilnærming til spredningspotensialet som superposisjon av det elektroniske potensialet til hver kjerne i det omkringliggende metallet. For å forenkle beregningene kan de elektroniske potensialene til atomkjernene avkortes for å gi en muffin-tinn pseudopotensial. I denne teorien er det to hovedeffekter som styrer endringen av resistivitet med økende temperaturer. Begge er basert på induksjon av vibrasjoner i metallets atomkjerner når temperaturen stiger. Det ene er at atomstrukturen blir stadig mer utsmurt etter hvert som de nøyaktige posisjonene til atomkjernene blir mindre og mindre godt definert. Den andre er introduksjonen av fononer. Selv om utsmøring generelt reduserer metallets resistivitet, legger introduksjonen av fononer generelt til spredningssteder og øker derfor resistiviteten. Sammen kan de forklare den uregelmessige reduksjonen av resistivitet i amorfe metaller, da den første delen oppveier den andre. I motsetning til vanlige krystallinske metaller blir ikke fononbidraget i et amorft metall frosset ut ved lave temperaturer. På grunn av mangelen på en definert krystallstruktur, er det alltid noen fononbølgelengder som kan begeistres. Selv om denne semi-klassiske tilnærmingen holder godt for mange amorfe metaller, brytes den vanligvis ned under mer ekstreme forhold. Ved svært lave temperaturer fører elektronenes kvante -natur til interferenseffekter av lang rekkevidde av elektronene med hverandre i det som kalles "svake lokaliseringseffekter". I veldig sterkt uordnede metaller kan urenheter i atomstrukturen indusere bundne elektroniske tilstander i det som kalles " Anderson -lokalisering ", effektivt binde elektronene og hemme bevegelsen.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker