Amorphes Metall - Amorphous metal

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Proben aus amorphem Metall im Millimeterbereich

Ein amorphes Metall (auch als metallisches Glas oder glasartiges Metall bekannt ) ist ein festes metallisches Material, üblicherweise eine Legierung , mit einer ungeordneten atomaren Struktur. Die meisten Metalle sind in ihrem festen Zustand kristallin , was bedeutet, dass sie eine hochgeordnete Anordnung von Atomen haben . Amorphe Metalle sind nicht kristallin und haben eine glasartige Struktur . Im Gegensatz zu herkömmlichen Gläsern wie Fensterglas, bei denen es sich typischerweise um elektrische Isolatoren handelt , weisen amorphe Metalle eine gute elektrische Leitfähigkeit auf und weisen auch bei niedrigen Temperaturen eine Supraleitung auf.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie amorphe Metalle hergestellt werden können, einschließlich extrem schneller Abkühlung , physikalischer Gasphasenabscheidung , Festkörperreaktion , Ionenbestrahlung und mechanischer Legierung . Zuvor waren kleine Chargen amorpher Metalle durch eine Vielzahl von Schnellkühlverfahren hergestellt worden, wie beispielsweise amorphe Metallbänder, die durch Sputtern von geschmolzenem Metall auf eine sich drehende Metallscheibe ( Schmelzspinnen ) hergestellt worden waren. Das schnelle Abkühlen (in der Größenordnung von Millionen Grad Celsius pro Sekunde) ist zu schnell, als dass sich Kristalle bilden könnten, und das Material wird in einem glasigen Zustand "verriegelt". Gegenwärtig wurde eine Anzahl 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 Glasses ( BMG ) bezeichnet. In jüngerer Zeit wurden Chargen aus amorphem Stahl mit der dreifachen Festigkeit herkömmlicher Stahllegierungen hergestellt.

Geschichte

Das erste gemeldete metallische Glas war eine Legierung (Au 75 Si 25 ), die 1960 von W. Klement (Jr.), Willens und Duwez bei Caltech hergestellt wurde. Diese und andere frühe glasbildende Legierungen mussten extrem schnell abgekühlt werden (auf Bestellung) von einem Mega- Kelvin pro Sekunde, 10 6  K / s), um eine Kristallisation zu vermeiden. Eine wichtige Folge davon war, dass metallische Gläser nur in einer begrenzten Anzahl von Formen (typischerweise Bändern, Folien oder Drähten) hergestellt werden konnten, in denen eine Dimension klein war, so dass die Wärme schnell genug extrahiert werden konnte, um die erforderliche Abkühlrate zu erreichen. Infolgedessen waren metallische Glasproben (mit wenigen Ausnahmen) auf Dicken von weniger als einhundert Mikrometern beschränkt .

1969 wurde festgestellt, dass eine Legierung aus 77,5% Palladium , 6% Kupfer und 16,5% Silizium eine kritische Abkühlrate 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 in den frühen 1980er Jahren 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 Teslas .

In den frühen 1980er Jahren wurden glasartige Barren mit einem Durchmesser von 5 mm aus der Legierung von 55% Palladium, 22,5% Blei und 22,5% Antimon durch Oberflächenätzen und anschließendes Erhitzen und Abkühlen hergestellt. Verwendung von Boroxid Flußmittel wurde die erzielbare Dicke auf einen Zentimeter erhöht.

1982 zeigte eine Studie zur strukturellen Relaxation amorpher Metalle einen Zusammenhang zwischen der spezifischen Wärme und Temperatur von (Fe 0,5 Ni 0,5 ) 83 P 17 . Beim Erhitzen des Materials entwickelten die Eigenschaften ab 375 K eine negative Beziehung, die auf die Änderung der entspannten amorphen Zustände zurückzuführen war. Wenn das Material für Zeiträume von 1 bis 48 Stunden getempert wurde, entwickelten die Eigenschaften eine positive Beziehung ab 475 K für alle Glühperioden, da die durch Tempern 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 Glaslegierungen mit Glasübergang und einem unterkühlten Flüssigkeitsbereich. Aus diesen Untersuchungen gingen Glaslegierungen aus La, Mg und Zr hervor, und diese Legierungen zeigten Plastizität, selbst wenn ihre Banddicke von 20 & mgr; m auf 50 & mgr; m erhöht wurde. Die Plastizität war ein starker Unterschied zu früheren amorphen Metallen, die bei diesen Dicken spröde wurden.

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

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

In den 1990er Jahren wurden neue Legierungen entwickelt, die Gläser mit Abkühlraten von nur einem Kelvin pro Sekunde bilden. Diese Abkühlraten können durch einfaches Gießen in Metallformen erreicht werden. Diese amorphen "Bulk" -Legierungen können unter Beibehaltung einer amorphen Struktur in Teile mit einer Dicke von bis zu mehreren Zentimetern (die maximale Dicke hängt von der Legierung ab) gegossen werden. Die besten glasbildenden Legierungen basieren auf Zirkonium und Palladium , aber auch Legierungen auf 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 Atombestandteile 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 "eingeschlossen".

In 1992 wird die kommerzielle amorphe Legierung, Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni und 22,5% Be), wurde bei Caltech, als ein Teil des entwickelten Department of Energy und NASA Erforschung neuer Luft- und Raumfahrtmaterialien.

Bis zum Jahr 2000 ergaben Forschungen an der Tohoku University und in Caltech Mehrkomponentenlegierungen auf der Basis von Lanthan, Magnesium, Zirkonium, Palladium, Eisen, Kupfer und Titan mit einer kritischen Abkühlrate zwischen 1 K / s und 100 K / s, vergleichbar mit Oxidgläsern.

Im Jahr 2004 wurde amorpher Massenstahl von zwei Gruppen erfolgreich hergestellt: einer am Oak Ridge National Laboratory , der sein Produkt als "glasartigen Stahl" bezeichnet, und der andere an der Universität von Virginia , der ihren "DARVA-Glass 101" nennt. Das Produkt ist bei Raumtemperatur nicht magnetisch und deutlich fester als herkömmlicher Stahl, obwohl vor der Einführung des Materials in die öffentliche oder militärische Verwendung noch ein langer Forschungs- und Entwicklungsprozess verbleibt.

Im Jahr 2018 berichtete ein Team des SLAC National Accelerator Laboratory , des Nationalen Instituts für Standards und Technologie (NIST) und der Northwestern University über den Einsatz künstlicher Intelligenz zur Vorhersage und Bewertung von Proben von 20.000 verschiedenen wahrscheinlichen metallischen Glaslegierungen pro Jahr. Ihre Methoden versprechen, die Forschung und die Markteinführungszeit für neue amorphe Metalllegierungen zu beschleunigen.

Eigenschaften

Amorphes Metall ist normalerweise eher eine Legierung als ein reines Metall. Die Legierungen enthalten Atome signifikant unterschiedlicher Größe, was zu einem geringen freien Volumen (und damit bis zu Größenordnungen höherer Viskosität als andere Metalle und Legierungen) im geschmolzenen Zustand führt. Die Viskosität verhindert, dass sich die Atome genug bewegen, um ein geordnetes Gitter zu bilden. Die Materialstruktur führt auch zu einer geringen Schrumpfung während des Abkühlens und zu einer Beständigkeit gegen plastische Verformung. Das Fehlen von Korngrenzen , die 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 einer amorphen Struktur auf einer schnellen Abkühlung beruht, begrenzt dies die maximal erreichbare Dicke amorpher Strukturen. Um die Bildung einer amorphen Struktur auch während eines langsameren Abkühlens zu erreichen, muss die Legierung aus drei oder mehr Komponenten bestehen, was zu komplexen Kristalleinheiten mit höherer potentieller Energie und geringerer Bildungschance führt. Der Atomradius der Komponenten muss signifikant unterschiedlich sein (über 12%), um eine hohe Packungsdichte und ein geringes freies Volumen zu erreichen. Die Kombination der Komponenten sollte eine negative Mischungswärme aufweisen, die die Kristallkeimbildung hemmt und die Zeit verlängert, in der das geschmolzene Metall im unterkühlten Zustand bleibt .

Die Legierungen von Bor , Silizium , Phosphor und anderen Glasbildnern mit magnetischen Metallen ( Eisen , Kobalt , Nickel ) weisen eine hohe magnetische Suszeptibilität , eine geringe Koerzitivkraft und einen hohen elektrischen Widerstand auf . Normalerweise liegt die elektrische Leitfähigkeit eines metallischen Glases in der gleichen niedrigen Größenordnung wie die eines geschmolzenen Metalls knapp über dem Schmelzpunkt. Der hohe Widerstand führt zu geringen Verlusten durch Wirbelströme, wenn sie magnetischen Wechselfeldern ausgesetzt werden, eine Eigenschaft, die beispielsweise für Magnetkerne von Transformatoren nützlich ist . Ihre geringe Koerzitivkraft trägt auch zu einem geringen Verlust bei.

Die Supraleitung amorpher Metalldünnfilme wurde Anfang der 1950er Jahre von Buckel und Hilsch experimentell entdeckt. Für bestimmte metallische Elemente kann die supraleitende kritische Temperatur T c im amorphen Zustand (z. B. beim Legieren) höher sein als im kristallinen Zustand, und in einigen Fällen steigt T c mit zunehmender struktureller Störung an. Dieses Verhalten kann verstanden und rationalisiert werden, indem die Auswirkung einer strukturellen Störung auf die Elektron-Phonon-Kopplung berücksichtigt wird.

Amorphe Metalle haben höhere Streckgrenzen und höhere elastische Dehnungsgrenzen als polykristalline Metalllegierungen, aber ihre Duktilitäten und Ermüdungsfestigkeiten sind geringer. Amorphe Legierungen weisen eine Vielzahl potenziell nützlicher Eigenschaften auf. Insbesondere neigen sie dazu, stärker zu sein als kristalline Legierungen mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung, und sie können größere reversible ("elastische") Verformungen aushalten als kristalline Legierungen. Amorphe Metalle leiten ihre Festigkeit direkt von ihrer nichtkristallinen Struktur ab, die keine der Defekte (wie Versetzungen ) aufweist, die die Festigkeit kristalliner Legierungen begrenzen. 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 dazu, unter Spannung plötzlich zu versagen , was die Anwendbarkeit des Materials bei zuverlässigkeitskritischen Anwendungen einschränkt, da das bevorstehende Versagen nicht offensichtlich ist. Daher besteht ein erhebliches 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 es sich um echte Gläser handelt, was bedeutet, dass sie beim Erhitzen erweichen und fließen. Dies ermöglicht eine einfache Verarbeitung, beispielsweise durch Spritzgießen , ähnlich wie bei Polymeren . Infolgedessen wurden amorphe Legierungen zur Verwendung in Sportgeräten, medizinischen Geräten und als Gehäuse für elektronische Geräte kommerzialisiert.

Dünne Filme aus amorphen Metallen können mittels Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstofftechnik als Schutzbeschichtungen abgeschieden werden.

Anwendungen

Kommerziell

Derzeit ist die wichtigste Anwendung auf die besonderen magnetischen Eigenschaften einiger ferromagnetischer Metallgläser zurückzuführen. Der geringe Magnetisierungsverlust wird in hocheffizienten Transformatoren ( amorpher Metalltransformator ) bei Netzfrequenz und einigen Transformatoren mit höherer Frequenz verwendet. Amorpher Stahl ist ein sehr sprödes Material, das das Stanzen in Motorbleche erschwert. Auch die elektronische Artikelüberwachung (z. B. passive ID-Tags zur Diebstahlkontrolle) verwendet aufgrund dieser magnetischen Eigenschaften häufig Metallgläser.

Eine kommerzielle amorphe Legierung, Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni und 22,5% Be), wurde bei Caltech als Teil des Energieministeriums und der NASA- Forschung für neue 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 Ti-Zr-Cu-Ni-Sn-Metallglas verwendet, um die Empfindlichkeit eines Coriolis-Durchflussmessers zu verbessern. Dieser Durchflussmesser ist etwa 28- bis 53-mal empfindlicher als herkömmliche Zähler, die in der Industrie für fossile Brennstoffe, Chemie, Umwelt, Halbleiter und Medizin eingesetzt werden können.

Metallisches Glas auf Zr-Al-Ni-Cu-Basis kann für die Automobil- und andere Industriezweige zu Drucksensoren mit einer Größe von 2,2 bis 5 mm x 4 mm geformt werden. Diese Sensoren sind kleiner, empfindlicher und besitzen eine höhere Druckfestigkeit als herkömmlicher Edelstahl aus Kaltes Arbeiten. Zusätzlich wurde diese Legierung verwendet, um den kleinsten Getriebemotor der Welt mit einem Durchmesser von 1,5 mm und 9,9 mm herzustellen, der zu dieser Zeit hergestellt und verkauft wurde.

Potenzial

Amorphe Metalle zeigen über ihrem Glasübergang ein einzigartiges Erweichungsverhalten, und dieses Erweichen wurde zunehmend für die thermoplastische Formgebung von metallischen Gläsern untersucht. Diese niedrige Erweichungstemperatur ermöglicht die Entwicklung einfacher Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen aus Nanopartikeln (z. B. Kohlenstoffnanoröhren ) und BMGs. Es wurde 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 denen teure Nanoformen aus Silizium leicht brechen. Nano-Formen aus Metallgläsern sind einfach herzustellen und langlebiger als Silikonformen. Die im Vergleich zu Polymeren überlegenen elektronischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften von BMGs machen sie zu einer guten Option für die Entwicklung von Nanokompositen für elektronische Anwendungen wie Feldelektronenemissionsvorrichtungen .

Es wird angenommen, dass Ti 40 Cu 36 Pd 14 Zr 10 nicht krebserregend ist, etwa dreimal stärker als Titan ist und sein Elastizitätsmodul nahezu mit Knochen übereinstimmt . Es hat eine hohe Verschleißfestigkeit und erzeugt kein Abriebpulver. Die Legierung schrumpft beim Erstarren nicht. Es kann eine Oberflächenstruktur erzeugt werden, die durch Oberflächenmodifikation unter Verwendung von Laserpulsen biologisch anhaftbar ist und eine bessere Verbindung mit dem Knochen ermöglicht.

Mg 60 Zn 35 Ca 5 , das schnell abgekühlt wird, 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 ungefähr 1 Millimeter pro Monat 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 Notwendigkeit hoher Abkühlraten häufig nur sehr kleine Proben erzeugen. 3D-Druckverfahren wurden als Verfahren zum Erstellen größerer Massenproben vorgeschlagen. Das selektive Laserschmelzen (SLM) ist ein Beispiel für ein additives Herstellungsverfahren, das zur Herstellung von Metallgläsern auf Eisenbasis verwendet wurde. Der Laserfoliendruck (LFP) ist eine weitere Methode, bei der Folien der amorphen Metalle Schicht für Schicht gestapelt und zusammengeschweißt werden.

Modellierung und Theorie

Bulk-Metallgläser (BMGs) wurden jetzt unter Verwendung von Simulationen im atomaren Maßstab (innerhalb des Rahmens der Dichtefunktionaltheorie ) auf ähnliche Weise wie Legierungen mit hoher Entropie modelliert . Dadurch konnten Vorhersagen über ihr Verhalten, ihre Stabilität und viele weitere Eigenschaften getroffen werden. Somit können neue BMG-Systeme getestet und Systeme maßgeschneidert werden. geeignet für einen bestimmten Zweck (z. B. Knochenersatz oder Triebwerkskomponente ) ohne ebenso viel empirische Suche im Phasenraum und experimentelles Ausprobieren. Die Identifizierung, welche Atomstrukturen die wesentlichen Eigenschaften eines metallischen Glases steuern, hat sich jedoch nach Jahren aktiver Forschung als ziemlich schwierig erwiesen.

Siehe auch

Verweise


Weiterführende Literatur

Externe Links