Amorphes Metall - Amorphous metal

Proben aus amorphem Metall, mit Millimeterskala

Ein amorphes Metall (auch bekannt als metallisches Glas oder glasiges Metall ) ist ein festes metallisches Material, normalerweise eine Legierung , mit ungeordneter Struktur im atomaren Maßstab. Die meisten Metalle sind im festen Zustand kristallin , das heißt, sie haben eine hochgeordnete Anordnung der Atome . Amorphe Metalle sind nicht kristallin und haben eine glasartige Struktur . Aber im Gegensatz zu herkömmlichen Gläsern, wie Fensterglas, die typischerweise elektrische Isolatoren sind , haben amorphe Metalle eine gute elektrische Leitfähigkeit und zeigen auch bei niedrigen Temperaturen Supraleitfähigkeit .

Es gibt mehrere Möglichkeiten, amorphe Metalle herzustellen, darunter extrem schnelles Abkühlen , physikalische Gasphasenabscheidung , Festkörperreaktion , Ionenbestrahlung und mechanisches Legieren . Früher wurden amorphe Metalle in kleinen Chargen durch verschiedene Schnellkühlverfahren hergestellt, beispielsweise amorphe Metallbänder, die durch Sputtern von geschmolzenem Metall auf eine sich drehende Metallscheibe ( Schmelzspinnen ) hergestellt wurden. Die schnelle Abkühlung (in der Größenordnung von Millionen Grad Celsius pro Sekunde) ist für die Bildung von Kristallen zu schnell und das Material wird in einem glasigen Zustand "eingeschlossen". Gegenwärtig wurde eine Reihe von Legierungen mit kritischen Abkühlraten hergestellt, die niedrig genug sind, um die Bildung einer amorphen Struktur in dicken Schichten (über 1 Millimeter) zu ermöglichen; diese werden als Bulk-Metallic-Gläser ( BMG ) bezeichnet. In jüngerer Zeit wurden Chargen von amorphem Stahl mit der dreifachen Festigkeit herkömmlicher Stahllegierungen hergestellt.

Geschichte

Das erste berichtete metallische Glas war eine Legierung (Au 75 Si 25 ), die 1960 von W. Klement (Jr.), Willens und Duwez am Caltech hergestellt wurde. Diese und andere frühe glasbildende Legierungen mussten extrem schnell abgekühlt werden (auf Bestellung eine Mega Kelvin pro Sekunde, 10 6  K / s) zu vermeiden Kristallisation. Eine wichtige Folge davon war, dass metallische Gläser nur in einer begrenzten Anzahl von Formen (typischerweise Bänder, Folien oder Drähte) hergestellt werden konnten, in denen eine Abmessung klein war, um die Wärme schnell genug abzuführen, um die erforderliche Kühlrate zu erreichen. Als Ergebnis waren metallische Glasproben (mit wenigen Ausnahmen) auf Dicken von weniger als 100 Mikrometer beschränkt .

Im Jahr 1969 wurde festgestellt, dass eine Legierung aus 77,5% Palladium , 6% Kupfer und 16,5% Silizium eine kritische Abkühlgeschwindigkeit zwischen 100 und 1000 K/s aufweist.

1976 entwickelten H. Liebermann und C. Graham ein neues Verfahren zur Herstellung dünner Bänder aus amorphem Metall auf einem unterkühlten schnell drehenden Rad . Dies war eine Legierung aus Eisen , Nickel und Bor . Das als Metglas bekannte Material wurde Anfang der 1980er Jahre kommerzialisiert und wird für verlustarme Stromverteilungstransformatoren ( amorpher Metalltransformator ) verwendet. Metglas-2605 besteht aus 80 % Eisen und 20 % Bor, hat eine Curie-Temperatur von 373 °C und eine Sättigungsmagnetisierung bei Raumtemperatur von 1,56 Tesla .

In den frühen 1980er Jahren wurden aus der Legierung aus 55% Palladium, 22,5% Blei und 22,5% Antimon durch Oberflächenätzung und anschließende Heiz-Kühl-Zyklen glasige Barren mit 5 mm Durchmesser hergestellt. Unter Verwendung von Boroxid- Flussmittel wurde die erreichbare Dicke auf einen Zentimeter erhöht.

1982 zeigte eine Studie zur Strukturrelaxation amorpher Metalle eine Beziehung zwischen der spezifischen Wärme und der Temperatur von (Fe 0.5 Ni 0.5 ) 83 P 17 . Beim Aufheizen des Materials entwickelten sich die Eigenschaften ab 375 K negativ, was auf die Änderung der relaxierten amorphen Zustände zurückzuführen war. Wenn das Material für Zeiträume von 1 bis 48 Stunden geglüht wurde, entwickelten sich die Eigenschaften ab 475 K für alle Glühzeiten positiv, da die durch Glühen induzierte Struktur bei dieser Temperatur verschwindet. In dieser Studie zeigten amorphe Legierungen einen Glasübergang und einen unterkühlten Flüssigkeitsbereich. Zwischen 1988 und 1992 fanden weitere Studien mehr glasartige Legierungen mit Glasübergang und einem unterkühlten Flüssigkeitsbereich. Aus diesen Studien wurden Massenglaslegierungen aus La, Mg und Zr hergestellt, und diese Legierungen zeigten Plastizität, selbst wenn ihre Banddicke von 20 µm auf 50 µm erhöht wurde. Die Plastizität war ein deutlicher Unterschied zu früheren amorphen Metallen, die bei diesen Dicken spröde wurden.

Im Jahr 1988 wurde festgestellt, dass Legierungen aus Lanthan, Aluminium und Kupfererz stark glasbildend sind. Metallische Gläser auf Al-Basis, die Scandium enthielten, zeigten eine mechanische Zugfestigkeit vom Rekordtyp von etwa 1500 MPa.

Bevor 1990 neue Techniken gefunden wurden, waren massive amorphe Legierungen mit mehreren Millimetern Dicke selten, bis auf wenige Ausnahmen wurden amorphe Legierungen auf Pd-Basis durch Abschrecken zu Stäben mit einem Durchmesser von 2 mm und zu Kugeln mit einem Durchmesser von 10 mm geformt wurden durch wiederholtes Flussschmelzen mit B 2 O 3 und Abschrecken gebildet.

In den 1990er Jahren wurden neue Legierungen entwickelt, die bei Abkühlungsgeschwindigkeiten von nur einem Kelvin pro Sekunde Gläser bilden. Diese Abkühlraten können durch einfaches Gießen in metallische Formen erreicht werden. Diese amorphen "Massen"-Legierungen können unter Beibehaltung einer amorphen Struktur zu Teilen mit einer Dicke von bis zu mehreren Zentimetern (die maximale Dicke ist abhängig von der Legierung) gegossen werden. Die besten glasbildenden Legierungen basieren auf Zirkonium und Palladium , aber auch Legierungen auf der Basis von Eisen , Titan , Kupfer , Magnesium und anderen Metallen sind bekannt. Viele amorphe Legierungen werden durch Ausnutzung eines Phänomens gebildet, das als "Verwirrungseffekt" bezeichnet wird. Solche Legierungen enthalten so viele verschiedene Elemente (oft vier oder mehr), dass sich die konstituierenden Atome beim Abkühlen mit ausreichend schnellen Geschwindigkeiten einfach nicht in den kristallinen Gleichgewichtszustand koordinieren können, bevor ihre Mobilität gestoppt wird. Auf diese Weise wird der zufällige ungeordnete Zustand der Atome "eingelockt".

1992 wurde die kommerzielle amorphe Legierung Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni und 22,5% Be) am Caltech als Teil des Energieministeriums und der NASA- Forschung über neue Luft- und Raumfahrtmaterialien.

Im Jahr 2000 ergaben Forschungen der Tohoku University und des Caltech Mehrkomponentenlegierungen auf Basis von Lanthan, Magnesium, Zirkonium, Palladium, Eisen, Kupfer und Titan mit kritischen Abkühlraten zwischen 1 K/s bis 100 K/s, vergleichbar mit Oxidgläsern.

Im Jahr 2004 wurde amorpher Stahl in großen Mengen von zwei Gruppen erfolgreich hergestellt: eine am Oak Ridge National Laboratory , die ihr Produkt als "glasigen Stahl" bezeichnet, und die andere an der University of Virginia , die sie "DARVA-Glass 101" nennt. Das Produkt ist bei Raumtemperatur nicht magnetisch und deutlich fester als herkömmlicher Stahl, allerdings vergeht ein langer Forschungs- und Entwicklungsprozess bis zur Einführung des Materials in die öffentliche oder militärische Nutzung.

Im Jahr 2018 berichtete ein Team des SLAC National Accelerator Laboratory , des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der Northwestern University über den Einsatz künstlicher Intelligenz zur Vorhersage und Bewertung von Proben von 20.000 verschiedenen wahrscheinlichen metallischen Glaslegierungen in einem Jahr. Ihre Methoden versprechen eine Beschleunigung der Forschung und der Markteinführung neuer amorpher Metalllegierungen.

Eigenschaften

Amorphes Metall ist normalerweise eher eine Legierung als ein reines Metall. Die Legierungen enthalten Atome von deutlich unterschiedlicher Größe, was im geschmolzenen Zustand zu einem geringen freien Volumen (und damit bis zu einer um Größenordnungen höheren Viskosität als andere Metalle und Legierungen) führt. Die Viskosität verhindert, dass sich die Atome genügend bewegen, um ein geordnetes Gitter zu bilden. Die Materialstruktur bewirkt außerdem eine geringe Schrumpfung beim Abkühlen und eine Beständigkeit gegen plastische Verformung. Das Fehlen von Korngrenzen , den Schwachstellen kristalliner Materialien, führt zu einer besseren Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit . Amorphe Metalle sind zwar technisch gesehen Gläser, aber auch viel zäher und weniger spröde als Oxidgläser und Keramiken. Amorphe Metalle können in zwei Kategorien eingeteilt werden, entweder als nicht ferromagnetisch, wenn sie aus Ln, Mg, Zr, Ti, Pd, Ca, Cu, Pt und Au bestehen, oder als ferromagnetische Legierungen, wenn sie aus Fe, Co . bestehen , und Ni.

Die Wärmeleitfähigkeit amorpher Materialien ist geringer als die von kristallinem Metall. Da die Bildung amorpher Strukturen auf schnelles Abkühlen angewiesen ist, begrenzt dies die maximal erreichbare Dicke amorpher Strukturen. Um die Bildung einer amorphen Struktur auch bei langsamerem Abkühlen zu erreichen, muss die Legierung aus drei oder mehr Komponenten bestehen, was zu komplexen Kristalleinheiten mit höherer potentieller Energie und geringerer Wahrscheinlichkeit der Bildung führt. Der Atomradius der Komponenten muss deutlich unterschiedlich sein (über 12%), um eine hohe Packungsdichte und ein geringes freies Volumen zu erreichen. Die Kombination der Komponenten sollte eine negative Mischwärme aufweisen, die Kristallkeimbildung verhindern und die Zeit verlängern, in der das geschmolzene Metall im unterkühlten Zustand verbleibt .

Bei Temperaturänderungen verhält sich der spezifische elektrische Widerstand von amorphen Metallen ganz anders als der von regulären Metallen. Während der spezifische Widerstand in regulären Metallen im Allgemeinen mit der Temperatur zunimmt , nimmt der spezifische Widerstand in einer großen Anzahl von amorphen Metallen gemäß der Matthiessen-Regel mit steigender Temperatur ab. Dieser Effekt kann bei amorphen Metallen mit hohen spezifischen Widerständen zwischen 150 μΩcm bis 300 μΩcm beobachtet werden. Bei diesen Metallen können die Streuereignisse, die den spezifischen Widerstand des Metalls verursachen, nicht mehr als statistisch unabhängig betrachtet werden, was den Zusammenbruch der Matthiessen-Regel erklärt. Die Tatsache, dass die thermische Änderung des spezifischen Widerstands in amorphen Metallen über einen großen Temperaturbereich negativ sein kann und mit ihren absoluten spezifischen Widerstandswerten korreliert, wurde erstmals 1973 von Mooij beobachtet und prägte daher den Begriff "Mooij-Regel".

Die Legierungen aus Bor , Silizium , Phosphor und anderen Glasbildnern mit magnetischen Metallen ( Eisen , Kobalt , Nickel ) weisen eine hohe magnetische Suszeptibilität bei niedriger Koerzitivfeldstärke und hohem elektrischem Widerstand auf . Normalerweise liegt die elektrische Leitfähigkeit eines metallischen Glases in der gleichen niedrigen Größenordnung wie eine Metallschmelze knapp über dem Schmelzpunkt. Der hohe Widerstand führt zu geringen Wirbelstromverlusten bei magnetischen Wechselfeldern, eine Eigenschaft, die zB für Transformator- Magnetkerne nützlich ist . Auch ihre geringe Koerzitivfeldstärke trägt zu einem geringen Verlust bei.

Die Supraleitfähigkeit von amorphen Metalldünnschichten wurde Anfang der 1950er Jahre von Buckel und Hilsch experimentell entdeckt. Bei bestimmten metallischen Elementen kann die kritische Supraleitungstemperatur T c im amorphen Zustand (zB beim Legieren) höher sein als im kristallinen Zustand, und in einigen Fällen steigt T c mit zunehmender struktureller Unordnung an. Dieses Verhalten kann verstanden und erklärt werden, indem man den Effekt der strukturellen Unordnung auf die Elektron-Phonon-Kopplung betrachtet.

Amorphe Metalle haben höhere Streckgrenzen und höhere elastische Dehnungsgrenzen als polykristalline Metalllegierungen, aber ihre Duktilität und Ermüdungsfestigkeit sind geringer. Amorphe Legierungen haben eine Vielzahl potentiell nützlicher Eigenschaften. Insbesondere neigen sie dazu, stärker zu sein als kristalline Legierungen ähnlicher chemischer Zusammensetzung, und sie können größere reversible ("elastische") Verformungen aushalten als kristalline Legierungen. Amorphe Metalle beziehen ihre Festigkeit direkt aus ihrer nichtkristallinen Struktur, die keine der Defekte (wie Versetzungen ) aufweist, die die Festigkeit kristalliner Legierungen einschränken. Ein modernes amorphes Metall, bekannt als Vitreloy , hat eine Zugfestigkeit, die fast doppelt so hoch ist wie die von hochwertigem Titan . Metallische Gläser sind jedoch bei Raumtemperatur nicht duktil und neigen bei Zugbelastung zum plötzlichen Versagen , was die Materialanwendbarkeit in zuverlässigkeitskritischen Anwendungen einschränkt, da das drohende Versagen nicht ersichtlich ist. Daher besteht ein beträchtliches Interesse an der Herstellung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen, die aus einer metallischen Glasmatrix bestehen, die dendritische Partikel oder Fasern eines duktilen kristallinen Metalls enthält.

Die vielleicht nützlichste Eigenschaft von amorphen Massenlegierungen ist, dass sie echte Gläser sind, was bedeutet, dass sie beim Erhitzen erweichen und fließen. Dies ermöglicht eine einfache Verarbeitung, beispielsweise durch Spritzgießen , ähnlich wie bei Polymeren . Als Ergebnis wurden amorphe Legierungen zur Verwendung in Sportgeräten, medizinischen Geräten und als Gehäuse für elektronische Geräte kommerzialisiert.

Dünne Filme aus amorphen Metallen können als Schutzbeschichtungen mittels Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brennstoff- Technik abgeschieden werden.

Anwendungen

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Die derzeit wichtigste Anwendung liegt in den besonderen magnetischen Eigenschaften einiger ferromagnetischer metallischer Gläser. Der geringe Magnetisierungsverlust wird bei hocheffizienten Transformatoren ( amorpher Metalltransformator ) bei Netzfrequenz und einigen höherfrequenten Transformatoren verwendet. Amorpher Stahl ist ein sehr sprödes Material, das das Stanzen in Motorbleche erschwert. Auch bei der elektronischen Artikelüberwachung (wie z. B. passive ID-Tags zur Diebstahlsicherung) werden aufgrund dieser magnetischen Eigenschaften häufig Metallgläser verwendet.

Eine kommerzielle amorphe Legierung, Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni und 22,5% Be), wurde am Caltech als Teil des Energieministeriums und der NASA- Forschung zu neuen Luft- und Raumfahrtmaterialien entwickelt.

Metallisches Glas auf Ti-Basis hat, wenn es zu dünnen Rohren verarbeitet wird, eine hohe Zugfestigkeit von 2100 MPA, eine elastische Dehnung von 2% und eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Unter Verwendung dieser Eigenschaften wurde ein metallisches Ti-Zr-Cu-Ni-Sn-Glas verwendet, um die Empfindlichkeit eines Coriolis-Durchflussmessers zu verbessern. Dieser Durchflussmesser ist etwa 28-53-mal empfindlicher als herkömmliche Messgeräte, die in der fossilen Brennstoff-, Chemie-, Umwelt-, Halbleiter- und Medizinindustrie eingesetzt werden können.

Metallisches Glas auf Zr-Al-Ni-Cu-Basis kann zu 2,2–5 mm x 4 mm Drucksensoren für die Automobilindustrie und andere Industrien geformt werden. Diese Sensoren sind kleiner, empfindlicher und besitzen eine höhere Druckbeständigkeit im Vergleich zu herkömmlichem Edelstahl aus Kaltes Arbeiten. Darüber hinaus wurde aus dieser Legierung der damals kleinste Getriebemotor der Welt mit Durchmessern von 1,5 mm und 9,9 mm hergestellt und verkauft.

Potenzial

Amorphe Metalle zeigen ein einzigartiges Erweichungsverhalten oberhalb ihres Glasübergangs und dieses Erweichen wurde zunehmend für die thermoplastische Formgebung von metallischen Gläsern untersucht. Eine derart niedrige Erweichungstemperatur ermöglicht die Entwicklung einfacher Verfahren zur Herstellung von Verbundstoffen aus Nanopartikeln (zB Kohlenstoffnanoröhren ) und BMGs. Es hat sich gezeigt, dass metallische Gläser auf extrem kleinen Längenskalen von 10 nm bis zu mehreren Millimetern strukturiert werden können. Dies kann die Probleme der Nanoimprint-Lithographie lösen, bei der teure Nanoformen aus Silizium leicht brechen. Nanoformen aus metallischen Gläsern sind einfach herzustellen und haltbarer als Silikonformen. Die überlegenen elektronischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften von BMGs im Vergleich zu Polymeren machen sie zu einer guten Option für die Entwicklung von Nanokompositen für elektronische Anwendungen wie Feldelektronenemissionsvorrichtungen .

Ti 40 Cu 36 Pd 14 Zr 10 gilt als nicht krebserregend, ist etwa dreimal stärker als Titan und sein Elastizitätsmodul entspricht fast dem von Knochen . Es hat eine hohe Verschleißfestigkeit und erzeugt kein Abriebpulver. Die Legierung schrumpft beim Erstarren nicht. Durch Oberflächenmodifikation mit Laserpulsen kann eine biologisch anbringbare Oberflächenstruktur erzeugt werden, die eine bessere Verbindung mit dem Knochen ermöglicht.

Mg 60 Zn 35 Ca 5 , schnell abgekühlt, um eine amorphe Struktur zu erreichen, wird an der Lehigh University als Biomaterial für die Implantation in Knochen als Schrauben, Stifte oder Platten zur Fixierung von Frakturen untersucht. Im Gegensatz zu herkömmlichem Stahl oder Titan löst sich dieses Material in Organismen mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 Millimeter pro Monat auf und wird durch Knochengewebe ersetzt. Diese Geschwindigkeit kann durch Variation des Zinkgehalts eingestellt werden.

Additive Fertigung

Eine Herausforderung bei der Synthese eines metallischen Glases besteht darin, dass die Techniken aufgrund der hohen Kühlraten oft nur sehr kleine Proben produzieren. 3D-Druckverfahren wurden als Verfahren zur Herstellung größerer Massenproben vorgeschlagen. Selektives Laserschmelzen (SLM) ist ein Beispiel für ein additives Fertigungsverfahren, das verwendet wurde, um metallische Gläser auf Eisenbasis herzustellen. Laser Foil Printing (LFP) ist ein weiteres Verfahren, bei dem Folien aus amorphen Metallen gestapelt und Schicht für Schicht miteinander verschweißt werden.

Modellierung und Theorie

Metallische Massengläser (BMGs) wurden nun ähnlich wie Legierungen mit hoher Entropie durch Simulationen auf atomarer Skala (im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie ) modelliert . Dadurch konnten Vorhersagen über ihr Verhalten, ihre Stabilität und viele weitere Eigenschaften gemacht werden. So können neue BMG-Systeme getestet und für einen bestimmten Zweck (z. B. Knochenersatz oder Triebwerkskomponente ) ohne so viel empirisches Suchen des Phasenraums oder experimentelles Trial-and-Error zugeschnitten werden. Die Identifizierung, welche atomaren Strukturen die wesentlichen Eigenschaften eines metallischen Glases steuern, hat sich jedoch trotz jahrelanger aktiver Forschung als ziemlich schwierig herausgestellt.

Ein üblicher Weg, um die elektronischen Eigenschaften amorpher Metalle zu verstehen, besteht darin, sie mit Flüssigmetallen zu vergleichen, die ähnlich ungeordnet sind und für die etablierte theoretische Grundlagen existieren. Für einfache amorphe Metalle lassen sich gute Abschätzungen durch semiklassische Modellierung der Bewegung einzelner Elektronen unter Verwendung der Boltzmann-Gleichung und Approximation des Streupotentials als Überlagerung des Elektronenpotentials jedes Kerns im umgebenden Metall erreichen. Zur Vereinfachung der Rechnungen können die Elektronenpotentiale der Atomkerne zu einem Muffin-Zinn-Pseudopotential gekürzt werden. In dieser Theorie gibt es zwei Haupteffekte, die die Änderung des spezifischen Widerstands mit steigenden Temperaturen bestimmen. Beide beruhen auf der Induktion von Schwingungen der Atomkerne des Metalls bei steigender Temperatur. Einer ist, dass die Atomstruktur zunehmend verwischt wird, da die genauen Positionen der Atomkerne immer weniger genau definiert werden. Das andere ist die Einführung von Phononen. Während das Verschmieren im Allgemeinen den spezifischen Widerstand des Metalls verringert, fügt die Einführung von Phononen im Allgemeinen Streustellen hinzu und erhöht daher den spezifischen Widerstand. Zusammen können sie die anomale Abnahme des spezifischen Widerstands bei amorphen Metallen erklären, da der erste Teil den zweiten überwiegt. Im Gegensatz zu regulären kristallinen Metallen wird der Phononenbeitrag in einem amorphen Metall bei niedrigen Temperaturen nicht ausgefroren. Aufgrund des Fehlens einer definierten Kristallstruktur gibt es immer einige Phononenwellenlängen, die angeregt werden können. Während dieser halbklassische Ansatz für viele amorphe Metalle gut gilt, versagt er im Allgemeinen unter extremeren Bedingungen. Bei sehr niedrigen Temperaturen führt die Quantennatur der Elektronen zu weitreichenden Interferenzeffekten der Elektronen untereinander in sogenannten "schwachen Lokalisierungseffekten". Bei sehr stark ungeordneten Metallen können Verunreinigungen in der Atomstruktur in der sogenannten „ Anderson-Lokalisierung “ gebundene elektronische Zustände induzieren, die Elektronen effektiv binden und ihre Bewegung hemmen.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links