Flüssiges Metall - Liquidmetal

Liquidmetal und Vitreloy sind Handelsnamen einer Reihe von amorphen Metalllegierungen, die von einem Forschungsteam des California Institute of Technology (Caltech) entwickelt und von Liquidmetal Technologies vertrieben werden . Liquidmetal-Legierungen vereinen eine Reihe wünschenswerter Materialeigenschaften, darunter hohe Zugfestigkeit , ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit , sehr hoher Rückstellkoeffizient und ausgezeichnete Verschleißschutzeigenschaften, während sie sich in ähnlichen Prozessen wie Thermoplaste warmumformen lassen . Trotz des Namens sind sie bei Raumtemperatur nicht flüssig.

Liquidmetal wurde 2003 für kommerzielle Anwendungen eingeführt. Es wird unter anderem für Golfschläger , Uhren und Handyhüllen verwendet .

Die Legierung war das Endergebnis eines am Caltech durchgeführten Forschungsprogramms zu amorphen Metallen. Es war die erste einer Reihe von experimentellen Legierungen, die bei relativ geringen Abkühlgeschwindigkeiten eine amorphe Struktur erreichen konnten. Amorphe Metalle wurden schon früher hergestellt, aber nur in kleinen Chargen, weil Abkühlungsgeschwindigkeiten im Millionenbereich pro Sekunde erforderlich waren. Zum Beispiel könnten amorphe Drähte durch Spritzabschrecken eines Stroms geschmolzenen Metalls auf einer rotierenden Scheibe hergestellt werden. Da Vitreloy so langsame Abkühlgeschwindigkeiten zuließ, war die Produktion größerer Losgrößen möglich. In jüngerer Zeit wurde das Liquidmetal-Portfolio um eine Reihe weiterer Legierungen erweitert. Diese Legierungen behalten auch nach wiederholtem Wiedererhitzen ihre amorphe Struktur, wodurch sie in einer Vielzahl traditioneller Bearbeitungsverfahren verwendet werden können.

Eigenschaften

Liquidmetal, entwickelt von Dr. Atakan Peker, enthält Atome von erheblich unterschiedlicher Größe. Sie bilden eine dichte Mischung mit geringem freien Volumen. Im Gegensatz zu kristallinen Metallen gibt es keinen offensichtlichen Schmelzpunkt, bei dem die Viskosität plötzlich abfällt. Vitreloy verhält sich eher wie andere Gläser , da seine Viskosität mit steigender Temperatur allmählich abfällt. Bei hoher Temperatur verhält es sich plastisch, wodurch die mechanischen Eigenschaften beim Gießen relativ einfach kontrolliert werden können. Die Viskosität verhindert, dass sich die Atome ausreichend bewegen, um ein geordnetes Gitter zu bilden, sodass das Material seine amorphen Eigenschaften auch nach der Wärmeformung behält.

Die Legierungen haben relativ niedrige Erweichungstemperaturen, was das Gießen komplizierter Formen ohne Nachbearbeitung ermöglicht. Die Materialeigenschaften direkt nach dem Gießen sind deutlich besser als bei herkömmlichen Metallen; Normalerweise haben Gussmetalle schlechtere Eigenschaften als geschmiedete oder geschmiedete. Die Legierungen sind auch bei niedrigen Temperaturen (400 °C oder 752 °F für die früheste Formulierung) formbar und können geformt werden . Das geringe freie Volumen führt auch zu einer geringen Schrumpfung beim Abkühlen. Aus all diesen Gründen kann Liquidmetal mit ähnlichen Prozessen wie Thermoplaste in komplexe Formen gebracht werden, was Liquidmetal zu einem potentiellen Ersatz für viele Anwendungen macht, bei denen normalerweise Kunststoffe verwendet werden.

Aufgrund ihrer nichtkristallinen ( amorphen ) Strukturen sind Liquidmetals härter als Legierungen aus Titan oder Aluminium ähnlicher Zusammensetzung. Die Liquidmetal-Legierungen auf Zirkonium- und Titanbasis erreichten eine Streckgrenze von über 1723 MPa, fast die doppelte Festigkeit herkömmlicher kristalliner Titanlegierungen (Ti6Al4V ist ~830 MPa) und über die Festigkeit von hochfesten Stählen und einigen hochtechnisierten Verbundwerkstoffen (siehe Zugfestigkeit für eine Liste gängiger Materialien). Die frühen Gießverfahren führten jedoch mikroskopische Fehler ein, die ausgezeichnete Orte für die Rissausbreitung waren, was dazu führte, dass Vitreloy brüchig wie Glas wurde. Obwohl sie stark waren, zerbrachen diese frühen Chargen leicht, wenn sie getroffen wurden. Neuere Gießverfahren, Anpassungen der Legierungsmischungen und andere Änderungen haben dies verbessert.

Das Fehlen von Korngrenzen trägt zu der gezeigten hohen Streckgrenze (und damit Elastizität) bei. In einer Demonstration prallte eine Metallkugel, die auf amorphen Stahl fiel, deutlich länger zurück als dieselbe Metallkugel, die auf kristallinen Stahl fiel.

Das Fehlen von Korngrenzen in einem metallischen Glas eliminiert Korngrenzenkorrosion – ein häufiges Problem bei hochfesten Legierungen, die durch Ausscheidungshärtung und sensibilisierten rostfreien Stählen hergestellt werden. Flüssigmetalllegierungen sind daher im Allgemeinen korrosionsbeständiger, sowohl aufgrund der mechanischen Struktur als auch der in ihrer Legierung verwendeten Elemente. Die Kombination aus mechanischer Härte, hoher Elastizität und Korrosionsbeständigkeit macht Liquidmetal verschleißfest.

Obwohl bei hohen Temperaturen leicht eine plastische Verformung auftritt, tritt bei Raumtemperatur fast keine auf, bevor ein katastrophales Versagen einsetzt . Dies schränkt die Anwendbarkeit des Materials in zuverlässigkeitskritischen Anwendungen ein, da der drohende Ausfall nicht ersichtlich ist. Das Material ist auch anfällig für Metallermüdung mit Risswachstum. Eine zweiphasige Verbundstruktur mit amorpher Matrix und einer duktilen dendritischen kristallinen Phasenverstärkung oder ein mit Fasern aus einem anderen Material verstärkter Metallmatrix-Verbundwerkstoff kann diesen Nachteil verringern oder beseitigen.

Verwendet

Liquidmetal vereint eine Reihe von Eigenschaften, die normalerweise in keinem Material zu finden sind. Dies macht sie für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich.

Eine der ersten kommerziellen Anwendungen von Liquidmetal war in Golfschlägern des Unternehmens, bei denen das hochelastische Metall in Teilen der Schlägerfläche verwendet wurde. Diese wurden von den Nutzern hoch bewertet, das Produkt wurde jedoch später fallen gelassen, auch weil die Prototypen nach weniger als 40 Treffern zerbrachen. Seitdem ist Liquidmetal in anderen Sportgeräten enthalten, darunter die Kerne von Golfbällen , Skiern , Baseball- und Softballschlägern sowie Tennisschlägern .

Die Gieß- und Formbarkeit in Kombination mit einer hohen Verschleißfestigkeit hat auch dazu geführt, dass Liquidmetal in einigen Anwendungen als Ersatz für Kunststoffe verwendet wird . Es wurde auf dem Gehäuse neuer SanDisk "Cruzer Titanium" USB-Flash-Laufwerke sowie der Sansa- Reihe von Flash- basierten MP3- Playern und Gehäusen einiger Mobiltelefone wie der Luxusprodukte von Vertu und anderer gehärteter Unterhaltungselektronik verwendet . Liquidmetal wurde im Biolase Dentallaser Ilase und dem Socketmobile Ring-Barcode-Scanner verwendet. Liquidmetal wurde auch insbesondere für die Herstellung des SIM- Auswurfwerkzeugs einiger iPhone 3Gs von Apple Inc. verwendet , die in den USA ausgeliefert werden. Dies wurde von Apple durchgeführt, um die Einsatzfähigkeit des Metalls zu testen. Sie behalten eine kratzfreie Oberfläche länger als konkurrierende Materialien und werden dennoch in komplexen Formen hergestellt. Die gleichen Eigenschaften verleihen sie als Schutzüberzüge für Industriemaschinen zu verwenden, einschließlich Erdöl Bohrrohre und Kraftwerkskesselrohren .

Es ersetzt auch Titan in Anwendungen, die von medizinischen Instrumenten und Autos bis hin zur Militär- und Luft- und Raumfahrtindustrie reichen. In militärischen Anwendungen ersetzen Stäbe aus amorphen Metallen abgereichertes Uran in Penetratoren für kinetische Energie . Platten aus Liquidmetal wurden im Solar-Wind - Ionenkollektor-Array in der Genesis-Raumsonde verwendet .

Kommerzielle Legierungen

Unter diesem Handelsnamen wurde eine Reihe von Legierungen auf Zirkoniumbasis vermarktet. Einige Beispielzusammensetzungen sind unten in Molprozent aufgeführt:

  • Eine frühe Legierung, Vitreloy 1 :
    Zr : 41,2 Be : 22,5 Ti : 13,8 Cu : 12,5 Ni : 102.5
  • Eine Variante, Vitreloy 4 ( Vit4 ):
    Zr : 46,75 Be : 27,5 Ti : 8,25 Cu : 7,5 Ni : 107.5
  • Vitreloy 105 ( Vit105 ):
    Zr : 52,5 Ti : 5 Cu : 17,9 Ni : 14,6 Al : 104.6
  • Eine neuere Entwicklung ( Vitreloy 106a ), die bei weniger schneller Abkühlung Glas bildet:
    Zr : 58,5 Cu : 15,6 Ni : 12,8 Al : 10,3 Nb : 2,8b

Lizenzierte Verwendungen

  • Apple Inc. hat eine unbefristete, exklusive Lizenz zur Nutzung seiner Technologie in der Unterhaltungselektronik erworben.
  • Die Swatch Group erhielt eine exklusive Lizenz zur Verwendung von Liquidmetal in ihren Zeitmessern.

Verweise

Externe Links