Amorf metall - Amorphous metal

Prover av amorf metall, med millimeters skala

En amorf metall (även känd som metalliskt glas eller glasartad metall ) är ett fast metalliskt material, vanligtvis en legering , med störd atomskala struktur. De flesta metaller är kristallina i sitt fasta tillstånd, vilket innebär att de har ett mycket ordnat arrangemang av atomer . Amorfa metaller är icke-kristallina och har en glasliknande struktur . Men till skillnad från vanliga glasögon, som fönsterglas, som vanligtvis är elektriska isolatorer , har amorfa metaller god elektrisk konduktivitet och de visar också supraledning vid låga temperaturer.

Det finns flera sätt på vilka amorfa metaller kan framställas, inklusive extremt snabb kylning , fysikalisk ångavsättning , fast tillståndsreaktion , jonbestrålning och mekanisk legering . Tidigare hade små partier amorfa metaller framställts genom en mängd snabbkylningsmetoder, till exempel amorfa metallband som hade producerats genom förstoftning av smält metall på en snurrande metallskiva ( smältspinning ). Den snabba kylningen (i storleksordningen miljoner grader Celsius i sekunden) är för snabb för att kristaller ska bildas och materialet "låses" i ett glasartat tillstånd. För närvarande har ett antal legeringar med kritiska kylhastigheter tillräckligt låga för att möjliggöra bildning av amorf struktur i tjocka lager (över 1 millimeter) producerats; dessa är kända som bulk metalliska glasögon ( BMG ). På senare tid har partier av amorft stål med tre gånger styrkan hos konventionella stållegeringar producerats.

Historia

Det första rapporterade metalliska glaset var en legering (Au 75 Si 25 ) som tillverkades i Caltech av W. Klement (Jr.), Willens och Duwez 1960. Denna och andra tidiga glasbildande legeringar måste kylas extremt snabbt (på beställning) av en mega kelvin per sekund, 10 6  K / s) för att undvika kristallisering. En viktig följd av detta var att metallglas kunde endast produceras i ett begränsat antal former (vanligtvis band, folier eller trådar) där en dimension var liten så att värme kunde extraheras tillräckligt snabbt för att uppnå den nödvändiga kylhastigheten. Som ett resultat begränsades metallglasprover (med några få undantag) till tjocklekar som är mindre än hundra mikrometer .

År 1969 befanns en legering av 77,5% palladium , 6% koppar och 16,5% kisel ha en kritisk kylhastighet mellan 100 och 1000 K/s.

År 1976 utvecklade H. Liebermann och C. Graham en ny metod för att tillverka tunna band av amorf metall på ett superkyldt snabbspinnande hjul . Detta var en legering av järn , nickel och bor . Materialet, känt som Metglas , kommersialiserades i början av 1980-talet och används för strömfördelningstransformatorer med låg förlust ( amorf metalltransformator ). Metglas-2605 består av 80% järn och 20% bor, har Curie-temperatur på 373 ° C och en rumstemperaturmättnadsmagnetisering på 1,56 teslas .

I början av 1980-talet producerades glasartade göt med 5 mm diameter av legeringen av 55% palladium, 22,5% bly och 22,5% antimon, genom ytetsning följt av uppvärmnings- och kylcykler. Med användning av boroxid flussmedel , var den uppnå tjockleken ökas till en centimeter.

År 1982 indikerade en studie om strukturell avslappning av amorf metall ett samband mellan den specifika värmen och temperaturen för (Fe 0,5 Ni 0,5 ) 83 P 17 . När materialet värmdes upp utvecklade egenskaperna ett negativt förhållande från 375 K, vilket berodde på förändringen i avslappnade amorfa tillstånd. När materialet glödgades under perioder från 1 till 48 timmar, utvecklade egenskaperna ett positivt förhållande från 475 K för alla glödgningsperioder, eftersom den härdningsinducerade strukturen försvinner vid den temperaturen. I denna studie visade amorfa legeringar glasövergång och en superkyld vätskeområde. Mellan 1988 och 1992 fann fler studier fler legeringar av glastyp med glasövergång och ett superkyldt vätskeområde. Från dessa studier gjordes bulkglaslegeringar av La, Mg och Zr, och dessa legeringar visade plasticitet även när deras bandtjocklek ökades från 20 μm till 50 μm. Plastiteten var en stor skillnad mot tidigare amorfa metaller som blev spröda vid dessa tjocklekar.

1988 befanns legeringar av lantan, aluminium och kopparmalm vara mycket glasbildande. Al-baserade metalliska glasögon innehållande Scandium uppvisade en draghållfasthet på cirka 1500 MPa av rekordtyp.

Innan nya tekniker hittades 1990 var bulk amorfa legeringar med flera millimeters tjocklek sällsynta, förutom några få undantag hade Pd-baserade amorfa legeringar formats till stavar med en diameter på 2 mm genom släckning och sfärer med en diameter på 10 mm bildades genom upprepning flux smältning med B 2 O 3 och snabbkylning.

Under 1990 -talet utvecklades nya legeringar som bildar glasögon med kylhastigheter så låga som en kelvin per sekund. Dessa kylhastigheter kan uppnås genom enkel gjutning i metallformar. Dessa "bulk" amorfa legeringar kan gjutas i delar av upp till flera centimeter i tjocklek (den maximala tjockleken beroende på legeringen) samtidigt som de behåller en amorf struktur. De bästa glasbildande legeringarna är baserade på zirkonium och palladium , men legeringar baserade på järn , titan , koppar , magnesium och andra metaller är också kända. Många amorfa legeringar bildas genom att utnyttja ett fenomen som kallas "förvirring" -effekten. Sådana legeringar innehåller så många olika element (ofta fyra eller fler) att vid avkylning med tillräckligt snabba hastigheter kan de ingående atomerna helt enkelt inte samordna sig till det kristallina jämviktsläget innan deras rörlighet stoppas. På detta sätt "är det slumpmässiga störda tillståndet hos atomerna" inlåst ".

År 1992 utvecklades den kommersiella amorfa legeringen Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni och 22,5% Be) på Caltech som en del av Department of Energy och NASA -forskning om nya flygmaterial.

År 2000 gav forskning vid Tohoku University och Caltech multikomponentlegeringar baserade på lantan, magnesium, zirkonium, palladium, järn, koppar och titan, med kritisk kylhastighet mellan 1 K/s till 100 K/s, jämförbart med oxidglasögon.

År 2004 producerades framgångsrikt amorft stål av två grupper: en vid Oak Ridge National Laboratory , som hänvisar till sin produkt som "glasartat stål", och den andra vid University of Virginia , som kallade deras "DARVA-Glass 101". Produkten är icke- magnetisk vid rumstemperatur och betydligt starkare än konventionellt stål, även om en lång forsknings- och utvecklingsprocess återstår innan materialet introduceras i allmän eller militär användning.

Under 2018 rapporterade ett team vid SLAC National Accelerator Laboratory , National Institute of Standards and Technology (NIST) och Northwestern University användningen av artificiell intelligens för att förutsäga och utvärdera prover av 20 000 olika troligen metalliska glaslegeringar på ett år. Deras metoder lovar att påskynda forskning och tid till marknadsföring av nya amorfa metallegeringar.

Egenskaper

Amorf metall är vanligtvis en legering snarare än en ren metall. Legeringarna innehåller atomer av betydligt olika storlekar, vilket leder till låg fri volym (och därför upp till storleksordningar högre viskositet än andra metaller och legeringar) i smält tillstånd. Viskositeten förhindrar att atomerna rör sig tillräckligt för att bilda ett ordnat gitter. Materialstrukturen resulterar också i låg krympning under kylning och motståndskraft mot plastisk deformation. Frånvaron av korngränser , de svaga fläckarna i kristallina material, leder till bättre motståndskraft mot slitage och korrosion . Amorfa metaller, även om de är tekniskt sett glasögon, är också mycket hårdare och mindre spröda än oxidglas och keramik. Amorfa metaller kan grupperas i två kategorier, antingen icke-ferromagnetiska, om de består av Ln, Mg, Zr, Ti, Pd, Ca, Cu, Pt och Au, eller ferromagnetiska legeringar, om de är sammansatta av Fe, Co och Ni.

Värmeledningsförmågan hos amorfa material är lägre än kristallin metall. Eftersom bildandet av en amorf struktur är beroende av snabb kylning, begränsar detta den maximala tjockleken på amorfa strukturer. För att uppnå en amorf struktur även vid långsammare kylning måste legeringen vara tillverkad av tre eller flera komponenter, vilket leder till komplexa kristallenheter med högre potentiell energi och lägre risk för bildning. Den atomradie av komponenterna måste vara signifikant olika (över 12%), för att uppnå hög packningstäthet och låg fri volym. Kombinationen av komponenter bör ha negativ blandningsvärme, hämma kristallkärnbildning och förlänga tiden den smälta metallen förblir i underkylning .

När temperaturen ändras uppför sig den elektriska resistiviteten hos amorfa metaller mycket annorlunda än för vanliga metaller. Medan resistiviteten i vanliga metaller i allmänhet ökar med temperaturen, efter Matthiessens regel , har resistiviteten i ett stort antal amorfa metaller minskat med stigande temperatur. Denna effekt kan observeras i amorfa metaller med hög resistivitet mellan 150 μΩcm till 300 μΩcm. I dessa metaller kan spridningshändelserna som orsakar metallens resistivitet inte längre betraktas som statistiskt oberoende, vilket förklarar nedbrytningen av Matthiessens regel. Det faktum att den termiska förändringen av resistiviteten i amorfa metaller kan vara negativ över ett stort temperaturintervall och korrelerad till deras absoluta resistivitetsvärden observerades först av Mooij 1973, och därav myntade begreppet "Mooij-regel".

Legeringarna av bor , kisel , fosfor och andra glasbildare med magnetiska metaller ( järn , kobolt , nickel ) har hög magnetisk känslighet , med låg tvångsförmåga och hög elektrisk resistans . Vanligtvis är den elektriska konduktiviteten hos ett metallglas av samma låga storleksordning som för en smält metall strax över smältpunkten. De höga resistens leder till låga förluster genom virvelströmmar när det utsätts för alternerande magnetfält, en egenskap användbar för t ex transformatormagnetkärnor . Deras låga tvång bidrar också till låg förlust.

Den supraledning av amorfa metalltunnfilmer upptäcktes experimentellt i tidigt 1950-tal från Buckel och Hilsch. För vissa metalliska element den supraledande kritiska temperaturen T c kan vara högre i det amorfa tillståndet (t ex vid legering) än i det kristallina tillståndet, och i flera fall T c ökar vid öka strukturstörning. Detta beteende kan förstås och rationaliseras genom att överväga effekten av strukturell störning på elektron-fononkopplingen.

Amorfa metaller har högre draghållfasthet och högre elastiska töjningsgränser än polykristallina metallegeringar, men deras formbarhet och utmattningshållfasthet är lägre. Amorfa legeringar har en mängd potentiellt användbara egenskaper. I synnerhet tenderar de att vara starkare än kristallina legeringar med liknande kemisk sammansättning, och de kan upprätthålla större reversibla ("elastiska") deformationer än kristallina legeringar. Amorfa metaller hämtar sin styrka direkt från deras icke-kristallina struktur, som inte har några av de defekter (t.ex. dislokationer ) som begränsar styrkan hos kristallina legeringar. En modern amorf metall, känd som Vitreloy , har en draghållfasthet som är nästan dubbelt så hög som titan av hög kvalitet . Metallglasögon vid rumstemperatur är dock inte smidiga och tenderar att plötsligt misslyckas när de belastas i spänning , vilket begränsar materialets tillämplighet i tillförlitlighetskritiska applikationer, eftersom det överhängande felet inte är uppenbart. Därför finns det ett stort intresse för att framställa metallmatriskompositer bestående av en metallisk glasmatris innehållande dendritiska partiklar eller fibrer av en segbar kristallin metall.

Den kanske mest användbara egenskapen för amorfa bulklegeringar är att de är riktiga glasögon, vilket innebär att de mjuknar och flödar vid uppvärmning. Detta möjliggör enkel bearbetning, till exempel genom formsprutning , på ungefär samma sätt som polymerer . Som ett resultat har amorfa legeringar kommersialiserats för användning i sportutrustning, medicinsk utrustning och som fodral för elektronisk utrustning.

Tunna filmer av amorfa metaller kan deponeras via syrebränsleteknik med hög hastighet som skyddande beläggningar.

Ansökningar

Kommersiell

För närvarande beror den viktigaste applikationen på de speciella magnetiska egenskaperna hos vissa ferromagnetiska metallglas. Den låga magnetiseringsförlusten används i högeffektiva transformatorer ( amorf metalltransformator ) vid linjefrekvens och några högre frekvenstransformatorer. Amorft stål är ett mycket sprött material som gör det svårt att stansa in motorlamineringar. Även elektronisk artikelövervakning (t.ex. stöldkontroll passiva ID -taggar) använder ofta metalliska glasögon på grund av dessa magnetiska egenskaper.

En kommersiell amorf legering, Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni och 22,5% Be), utvecklades på Caltech, som en del av Department of Energy och NASA -forskning om nya flyg- och rymdmaterial.

Ti-baserat metallglas, när det görs till tunna rör, har en hög draghållfasthet på 2100 MPA, elastisk töjning på 2% och hög korrosionsbeständighet. Med hjälp av dessa egenskaper användes ett Ti -Zr -Cu -Ni -Sn metallglas för att förbättra känsligheten hos en Coriolis flödesmätare. Denna flödesmätare är cirka 28-53 gånger känsligare än konventionella mätare, som kan appliceras i fossila bränslen, kemiska, miljö-, halvledar- och medicinsk vetenskapsindustrin.

Zr-Al-Ni-Cu-baserat metallglas kan formas till 2,2–5 mm x 4 mm trycksensorer för bil och andra industrier, och dessa sensorer är mindre, känsligare och har större tryckhållfasthet jämfört med konventionellt rostfritt stål tillverkat av kallt arbete. Dessutom användes denna legering för att göra världens minsta växelmotor med diameter 1,5 mm och 9,9 mm som skulle tillverkas och säljas vid den tiden.

Potential

Amorfa metaller uppvisar unikt mjukgörande beteende ovanför deras glasövergång och denna mjukning har alltmer undersökts för termoplastisk formning av metallglas. Sådan låg mjukningstemperatur möjliggör utveckling av enkla metoder för framställning av nanopartiklar (t.ex. kolnanorör ) och BMG. Det har visat sig att metalliska glasögon kan mönstras på extremt små längder som sträcker sig från 10 nm till flera millimeter. Detta kan lösa problemen med nanoimprint litografi där dyra nano-formar av kisel lätt går sönder. Nano-formar av metallglas är lätta att tillverka och mer hållbara än kiselformar. BMG: s överlägsna elektroniska, termiska och mekaniska egenskaper jämfört med polymerer gör dem till ett bra alternativ för att utveckla nanokompositer för elektronisk applikation, t.ex. fältelektronemissionsenheter .

Ti 40 Cu 36 Pd 14 Zr 10 antas vara icke -cancerframkallande, är ungefär tre gånger starkare än titan och dess elastiska modul matchar nästan ben . Den har hög slitstyrka och producerar inte nötningspulver. Legeringen genomgår inte krympning vid stelning. En ytstruktur kan genereras som är biologiskt fästbar genom ytmodifiering med hjälp av laserpulser, vilket möjliggör bättre sammankoppling med ben.

Mg 60 Zn 35 Ca 5 , snabbt nedkyld för att uppnå en amorf struktur, undersöks vid Lehigh University som ett biomaterial för implantation i ben som skruvar, stift eller plattor för att fixa frakturer. Till skillnad från traditionellt stål eller titan, löses detta material upp i organismer med en hastighet av ungefär 1 millimeter per månad och ersätts med benvävnad. Denna hastighet kan justeras genom att variera innehållet av zink.

Additiv tillverkning

En utmaning vid syntetisering av ett metallglas är att teknikerna ofta bara producerar mycket små prover, på grund av behovet av höga kylhastigheter. 3D-utskriftsmetoder har föreslagits som en metod för att skapa större bulkprover. Selektiv lasersmältning (SLM) är ett exempel på en additiv tillverkningsmetod som har använts för att tillverka järnbaserade metallglas. Laserfolieutskrift (LFP) är en annan metod där folier av de amorfa metallerna staplas och svetsas samman, lager för lager.

Modellering och teori

Bulk metalliska glasögon (BMG) har nu modellerats med hjälp av atomskala simuleringar (inom densitetens funktionella teoriram) på ett liknande sätt som legeringar med hög entropi . Detta har gjort det möjligt att göra förutsägelser om deras beteende, stabilitet och många fler egenskaper. Som sådana, nya BMG system kan testas och skräddarsydd för ett specifikt ändamål (t.ex. ben utbyte eller flygmotorkomponent) utan så mycket empirisk sökning av den fasrummet eller experimentella försök och misstag. Identifieringen av vilka atomstrukturer som styr de väsentliga egenskaperna hos ett metallglas har dock visat sig vara ganska utmanande, trots år av aktiv forskning.

Ett vanligt sätt att försöka förstå de amorfa metallernas elektroniska egenskaper är genom att jämföra dem med flytande metaller, som är lika störda och som det finns etablerade teoretiska ramar för. För enkla amorfa metaller kan goda uppskattningar nås genom semiklassisk modellering av rörelsen för enskilda elektroner med hjälp av Boltzmann-ekvationen och närma sig spridningspotentialen som överlagring av den elektroniska potentialen för varje kärna i den omgivande metallen. För att förenkla beräkningarna kan de elektroniska potentialerna hos atomkärnorna avkortas för att ge en muffin-tenn pseudopotential. I denna teori finns det två huvudeffekter som styr förändringen av resistivitet med stigande temperaturer. Båda är baserade på induktion av vibrationer i metallets atomkärnor när temperaturen ökar. Det ena är att atomstrukturen blir alltmer utsmetad när atomkärnornas exakta positioner blir mindre och mindre väldefinierade. Den andra är introduktionen av fononer. Medan utsmetningen generellt minskar metallens resistivitet, tillför införandet av fononer i allmänhet spridningsställen och ökar därför resistiviteten. Tillsammans kan de förklara den avvikande minskningen av resistivitet i amorfa metaller, eftersom den första delen uppväger den andra. Till skillnad från vanliga kristallina metaller fryser inte fononbidraget i en amorf metall ut vid låga temperaturer. På grund av avsaknaden av en definierad kristallstruktur finns det alltid några fononvåglängder som kan exciteras. Även om denna semiklassiska metod passar bra för många amorfa metaller, bryts den i allmänhet ner under mer extrema förhållanden. Vid mycket låga temperaturer leder elektronernas kvantart till interferenseffekter av långa sträckor av elektronerna med varandra i vad som kallas "svaga lokaliseringseffekter". I mycket starkt störda metaller kan föroreningar i atomstrukturen framkalla bundna elektroniska tillstånd i det som kallas " Anderson -lokalisering ", effektivt binda elektronerna och hämma deras rörelse.

Se även

Referenser

Vidare läsning

externa länkar