Amorft metal - Amorphous metal

Prøver af amorft metal, med millimeters skala

Et amorft metal (også kendt som metallisk glas eller glasagtigt metal ) er et solidt metallisk materiale, sædvanligvis en legering , med uorden i atomskala struktur. De fleste metaller er krystallinske i deres faste tilstand, hvilket betyder, at de har et meget ordnet arrangement af atomer . Amorfe metaller er ikke-krystallinske og har en glaslignende struktur . Men i modsætning til almindelige glas, såsom vinduesglas, der typisk er elektriske isolatorer , har amorfe metaller god elektrisk ledningsevne, og de viser også superledning ved lave temperaturer.

Der er flere måder, hvorpå amorfe metaller kan fremstilles, herunder ekstremt hurtig afkøling , fysisk dampaflejring , faststofreaktion , ionbestråling og mekanisk legering . Tidligere var der blevet fremstillet små partier amorfe metaller ved hjælp af en række hurtige afkølingsmetoder, såsom amorfe metalbånd, der var blevet fremstillet ved at sprutte smeltet metal på en roterende metalskive ( smeltespinding ). Den hurtige afkøling (i størrelsesordenen millioner af grader Celsius i sekundet) er for hurtig til, at der dannes krystaller, og materialet "låses" i en glasagtig tilstand. I øjeblikket er der fremstillet et antal legeringer med kritiske kølehastigheder, der er lave nok til at muliggøre dannelse af amorf struktur i tykke lag (over 1 millimeter); disse er kendt som bulk metallic glass ( BMG ). For nylig er der produceret partier af amorft stål med tre gange styrken af ​​konventionelle stållegeringer.

Historie

Det første rapporterede metalliske glas var en legering (Au 75 Si 25 ) fremstillet på Caltech af W. Klement (Jr.), Willens og Duwez i 1960. Denne og andre tidlige glasdannende legeringer måtte køles ekstremt hurtigt (på ordren af en mega kelvin pr sekund, 10 6  K / s) for at undgå krystallisation. En vigtig konsekvens af dette var, at metalglas kun kunne fremstilles i et begrænset antal former (typisk bånd, folier eller ledninger), hvor en dimension var lille, så varme kunne ekstraheres hurtigt nok til at opnå den nødvendige kølehastighed. Som et resultat var metalliske glasprøver (med få undtagelser) begrænset til tykkelser på mindre end hundrede mikrometer .

I 1969 viste det sig, at en legering på 77,5% palladium , 6% kobber og 16,5% silicium havde en kritisk kølehastighed mellem 100 og 1000 K/s.

I 1976 udviklede H. Liebermann og C. Graham en ny metode til fremstilling af tynde bånd af amorft metal på et afkølet hurtigt roterende hjul . Dette var en legering af jern , nikkel og bor . Materialet, kendt som Metglas , blev kommercialiseret i begyndelsen af ​​1980'erne og bruges til strømfordelingstransformatorer med lav tab ( amorf metaltransformator ). Metglas-2605 består af 80% jern og 20% ​​bor, har Curie-temperatur på 373 ° C og en magnetisering ved stuetemperaturmætning på 1,56 teslas .

I begyndelsen af ​​1980'erne blev der fremstillet glasagtige barrer med en diameter på 5 mm fra legeringen af ​​55% palladium, 22,5% bly og 22,5% antimon ved overfladeetsning efterfulgt af opvarmnings- og afkølingscykler. Anvendelse boroxid flux , blev den opnåelige tykkelse øges til en centimeter.

I 1982 indikerede en undersøgelse af amorf metalstrukturel afslapning et forhold mellem den specifikke varme og temperatur på (Fe 0,5 Ni 0,5 ) 83 P 17 . Da materialet blev opvarmet, udviklede egenskaberne et negativt forhold, der startede ved 375 K, hvilket skyldtes ændringen i afslappede amorfe tilstande. Når materialet blev udglødet i perioder fra 1 til 48 timer, udviklede egenskaberne et positivt forhold, der startede ved 475 K for alle udglødningsperioder, da den udglødningsinducerede struktur forsvinder ved denne temperatur. I denne undersøgelse demonstrerede amorfe legeringer glasovergang og et superkølet flydende område. Mellem 1988 og 1992 fandt flere undersøgelser flere legeringer af glastype med glasovergang og et superkølet væskeområde. Fra disse undersøgelser blev bulkglaslegeringer fremstillet af La, Mg og Zr, og disse legeringer viste plasticitet, selv når deres båndtykkelse blev øget fra 20 um til 50 μm. Plastiteten var en markant forskel i forhold til tidligere amorfe metaller, der blev sprøde ved disse tykkelser.

I 1988 viste det sig, at legeringer af lanthan, aluminium og kobbermalm var stærkt glasdannende. Al-baserede metalliske briller indeholdende Scandium udviste en mekanisk styrke af rekordtypen på omkring 1500 MPa.

Inden nye teknikker blev fundet i 1990, var amorfe bulklegeringer med en tykkelse på flere millimeter sjældne, bortset fra nogle få undtagelser var Pd-baserede amorfe legeringer blevet formet til stænger med en diameter på 2 mm ved slukning og kugler med en diameter på 10 mm blev dannet ved gentagelse flux smeltning med B 2 O 3 og bratkøling.

I 1990'erne blev der udviklet nye legeringer, der danner glas med kølehastigheder så lave som en kelvin pr. Sekund. Disse kølehastigheder kan opnås ved simpel støbning i metalliske forme. Disse "bulk" amorfe legeringer kan støbes i dele på op til flere centimeter i tykkelse (den maksimale tykkelse afhængigt af legeringen), samtidig med at de beholder en amorf struktur. De bedste glasdannende legeringer er baseret på zirconium og palladium , men legeringer baseret på jern , titanium , kobber , magnesium og andre metaller kendes også. Mange amorfe legeringer dannes ved at udnytte et fænomen kaldet "forvirring" -effekten. Sådanne legeringer indeholder så mange forskellige elementer (ofte fire eller flere), at ved afkøling med tilstrækkeligt hurtige hastigheder kan de bestanddelte atomer simpelthen ikke koordinere sig ind i ligevægtskrystallinsk tilstand, før deres mobilitet stoppes. På denne måde er atomernes tilfældige uordnede tilstand "låst inde".

I 1992 blev den kommercielle amorfe legering, Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni og 22,5% Be), udviklet hos Caltech som en del af Department of Energy og NASA forskning af nye luftfarts materialer.

I 2000 gav forskning på Tohoku University og Caltech multikomponentlegeringer baseret på lanthan, magnesium, zirkonium, palladium, jern, kobber og titanium med en kritisk kølehastighed mellem 1 K/s til 100 K/s, der kan sammenlignes med oxidglas.

I 2004 blev amorf bulkstål med succes produceret af to grupper: en på Oak Ridge National Laboratory , der omtaler deres produkt som "glasagtigt stål", og den anden ved University of Virginia , der kaldte deres "DARVA-Glass 101". Produktet er ikke- magnetisk ved stuetemperatur og betydeligt stærkere end konventionelt stål, selvom der stadig er en lang forsknings- og udviklingsproces inden materialets introduktion til offentlig eller militær brug.

I 2018 rapporterede et team ved SLAC National Accelerator Laboratory , National Institute of Standards and Technology (NIST) og Northwestern University brugen af kunstig intelligens til at forudsige og evaluere prøver af 20.000 forskellige sandsynlige metalliske glaslegeringer om et år. Deres metoder lover at fremskynde forskning og tid til at markedsføre nye amorfe metallegeringer.

Ejendomme

Amorft metal er normalt en legering frem for et rent metal. Legeringerne indeholder atomer af betydeligt forskellige størrelser, hvilket fører til lavt frit volumen (og derfor op til størrelsesordener højere viskositet end andre metaller og legeringer) i smeltet tilstand. Viskositeten forhindrer atomer i at bevæge sig nok til at danne et ordnet gitter. Materialestrukturen resulterer også i lav krympning under afkøling og modstandsdygtighed over for plastisk deformation. Fraværet af korngrænser , de svage pletter af krystallinske materialer, fører til bedre modstandsdygtighed over for slid og korrosion . Amorfe metaller, mens de teknisk set er glas, er også meget hårdere og mindre sprøde end oxidglas og keramik. Amorfe metaller kan grupperes i to kategorier som enten ikke-ferromagnetiske, hvis de er sammensat af Ln, Mg, Zr, Ti, Pd, Ca, Cu, Pt og Au eller ferromagnetiske legeringer, hvis de er sammensat af Fe, Co og Ni.

Termisk ledningsevne for amorfe materialer er lavere end for krystallinsk metal. Da dannelsen af ​​en amorf struktur er afhængig af hurtig afkøling, begrænser dette den maksimalt opnåelige tykkelse af amorfe strukturer. For at opnå dannelse af en amorf struktur, selv under langsommere afkøling, skal legeringen være fremstillet af tre eller flere komponenter, hvilket fører til komplekse krystalenheder med højere potentiel energi og lavere chance for dannelse. Den atomradius af komponenterne skal være signifikant forskellige (over 12%), at opnå en høj pakningstæthed og lavt frit volumen. Kombinationen af ​​komponenter skal have negativ blandingsvarme, hæmme krystalkernen og forlænge den tid, det smeltede metal forbliver i underkølet tilstand.

Når temperaturen ændres, opfører den amorfe metals elektriske resistivitet sig meget anderledes end almindelige metaller. Mens resistiviteten i almindelige metaller generelt stiger med temperaturen, følger Matthiessens regel , viser det sig, at resistiviteten i et stort antal amorfe metaller falder med stigende temperatur. Denne effekt kan observeres i amorfe metaller med høj resistivitet mellem 150 μΩcm til 300 μΩcm. I disse metaller kan spredningsbegivenhederne, der forårsager metalets resistivitet, ikke længere betragtes som statistisk uafhængige, hvilket forklarer sammenbruddet af Matthiessens regel. Den kendsgerning, at den termiske ændring af resistiviteten i amorfe metaller kan være negativ over et stort temperaturområde og korreleret med deres absolutte resistivitetsværdier, blev først observeret af Mooij i 1973, og derved opfandt udtrykket "Mooij-regel".

Legeringerne af bor , silicium , fosfor og andre glasdannere med magnetiske metaller ( jern , kobolt , nikkel ) har høj magnetisk modtagelighed , med lav koercivitet og høj elektrisk modstand . Normalt er den elektriske ledningsevne af et metallisk glas af samme lave størrelsesorden som for et smeltet metal lige over smeltepunktet. Den høje modstand fører til lave tab af hvirvelstrømme, når de udsættes for skiftevis magnetiske felter, en egenskab, der er nyttig til f.eks. Transformermagnetiske kerner . Deres lave tvang bidrager også til lavt tab.

Den superledning af amorfe metal tynde film blev opdaget eksperimentelt i begyndelsen af 1950'erne med Buckel og Hilsch. For visse metalliske elementer det superledende kritiske temperatur T c kan være højere i den amorfe tilstand (f.eks ved at legere) end i den krystallinske tilstand, og i flere tilfælde T c stiger upon øge den strukturelle forstyrrelse. Denne adfærd kan forstås og rationaliseres ved at overveje effekten af ​​strukturel lidelse på elektron-fonon-koblingen.

Amorfe metaller har højere trækstyrke og større elastiske belastningsgrænser end polykrystallinske metallegeringer, men deres formbarhed og udmattelsesstyrke er lavere. Amorfe legeringer har en række potentielt nyttige egenskaber. Især har de en tendens til at være stærkere end krystallinske legeringer med lignende kemisk sammensætning, og de kan opretholde større reversible ("elastiske") deformationer end krystallinske legeringer. Amorfe metaller henter deres styrke direkte fra deres ikke-krystallinske struktur, som ikke har nogen af ​​de defekter (f.eks. Dislokationer ), der begrænser styrken af ​​krystallinske legeringer. Et moderne amorft metal, kendt som Vitreloy , har en trækstyrke, der er næsten det dobbelte af titanium af høj kvalitet . Imidlertid er metalliske glas ved stuetemperatur ikke duktile og har en tendens til pludseligt at mislykkes, når de belastes i spænding , hvilket begrænser materialets anvendelighed i pålidelighedskritiske applikationer, da den forestående fejl ikke er tydelig. Derfor er der en betydelig interesse i fremstilling af metalmatrixkompositter bestående af en metallisk glasmatrix indeholdende dendritiske partikler eller fibre af et duktilt krystallinsk metal.

Måske er den mest nyttige egenskab ved bulk amorfe legeringer, at de er ægte glas, hvilket betyder, at de blødgør og flyder ved opvarmning. Dette giver mulighed for let behandling, f.eks. Ved sprøjtestøbning , på omtrent samme måde som polymerer . Som følge heraf er amorfe legeringer blevet kommercialiseret til brug i sportsudstyr, medicinsk udstyr og som etuier til elektronisk udstyr.

Tynde film af amorfe metaller kan aflejres via iltbrændstofteknik med høj hastighed som beskyttende belægninger.

Ansøgninger

Kommerciel

I øjeblikket skyldes den vigtigste anvendelse de særlige magnetiske egenskaber ved nogle ferromagnetiske metalliske briller. Det lave magnetiserings tab bruges i højeffektive transformere ( amorft metal transformer ) ved liniefrekvens og nogle højere frekvens transformere. Amorft stål er et meget sprødt materiale, som gør det svært at stikke ind i motorlamineringer. Også elektronisk artikelovervågning (såsom tyverisikring af passive ID -tags) bruger ofte metalliske briller på grund af disse magnetiske egenskaber.

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

Ti-baseret metallisk glas, når det er lavet til tynde rør, har en høj trækstyrke på 2100 MPA, elastisk forlængelse på 2% og høj korrosionsbestandighed. Ved hjælp af disse egenskaber blev et Ti -Zr -Cu -Ni -Sn metallisk glas brugt til at forbedre følsomheden af ​​en Coriolis flowmåler. Denne flowmåler er omkring 28-53 gange mere følsom end konventionelle målere, som kan anvendes i industrien med fossilt brændsel, kemi, miljø, halvleder og medicinsk videnskab.

Zr-Al-Ni-Cu-baseret metalglas kan formes til 2,2–5 mm x 4 mm tryksensorer til bil og andre industrier, og disse sensorer er mindre, mere følsomme og har større trykudholdenhed sammenlignet med konventionelt rustfrit stål fremstillet af koldt arbejde. Derudover blev denne legering brugt til at lave verdens mindste gearmotor med en diameter på 1,5 mm og 9,9 mm, der skulle produceres og sælges dengang.

Potentiel

Amorfe metaller udviser en unik blødgøringsadfærd over deres glasovergang, og denne blødgøring er i stigende grad blevet undersøgt for termoplastisk dannelse af metalliske glas. Så lav blødgøringstemperatur muliggør udvikle enkle fremgangsmåder til fremstilling af kompositter af nanopartikler (f.eks kulstofnanorør ) og BMGs. Det er blevet vist, at metalliske glas kan mønstres på ekstremt små længder, der spænder fra 10 nm til flere millimeter. Dette kan løse problemerne med nanoimprint litografi, hvor dyre nano-forme lavet af silicium let går i stykker. Nano-forme fremstillet af metalliske glas er lette at fremstille og mere holdbare end siliciumforme. De overlegne elektroniske, termiske og mekaniske egenskaber af BMGs sammenlignet med polymerer gør dem en god mulighed for at udvikle nanokompositter til elektronisk anvendelse, såsom felt elektron emission enheder.

Ti 40 Cu 36 Pd 14 Zr 10 menes at være ikke -kræftfremkaldende, er omkring tre gange stærkere end titanium, og dets elastiske modul matcher næsten knogler . Det har en høj slidstyrke og producerer ikke slidpulver. Legeringen undergår ikke krympning ved størkning. Der kan genereres en overfladestruktur, der er biologisk vedhæftelig ved overflademodifikation ved hjælp af laserpulser, hvilket muliggør bedre sammenføjning med knogle.

Mg 60 Zn 35 Ca 5 , hurtigt afkølet for at opnå en amorf struktur, bliver ved Lehigh University undersøgt som et biomateriale til implantation i knogler som skruer, stifter eller plader for at reparere brud. I modsætning til traditionelt stål eller titanium opløses dette materiale i organismer med en hastighed på cirka 1 millimeter om måneden og erstattes med knoglevæv. Denne hastighed kan justeres ved at variere zinkindholdet.

Additiv fremstilling

En udfordring ved syntetisering af et metalglas er, at teknikkerne ofte kun producerer meget små prøver på grund af behovet for høje kølehastigheder. 3D-udskrivningsmetoder er blevet foreslået som en metode til at oprette større bulkprøver. Selektiv lasersmeltning (SLM) er et eksempel på en additiv fremstillingsmetode, der er blevet brugt til fremstilling af jernbaserede metalliske glas. Laserfolietryk (LFP) er en anden metode, hvor folier af de amorfe metaller stables og svejses sammen, lag for lag.

Modellering og teori

Bulk metalliske briller (BMG'er) er nu blevet modelleret ved hjælp af atomskala simuleringer (inden for rammerne af densitet funktionel teori ) på samme måde som høj entropi legeringer . Dette har gjort det muligt at forudsige deres adfærd, stabilitet og mange flere egenskaber. Som sådan kan nye BMG-systemer testes og skræddersys til et specifikt formål (f.eks. Knogleudskiftning eller flymotorkomponent ) uden så meget empirisk søgning af faseområdet eller eksperimentel forsøg og fejl. Identifikationen af ​​hvilke atomstrukturer, der styrer de væsentlige egenskaber ved et metallisk glas, har trods mange års aktiv forskning vist sig at være ganske udfordrende.

En almindelig måde at forsøge at forstå amorfe metals elektroniske egenskaber på er ved at sammenligne dem med flydende metaller, der er lignende uordnede, og for hvilke der findes etablerede teoretiske rammer. For simple amorfe metaller kan der opnås gode skøn ved semi-klassisk modellering af bevægelsen af ​​individuelle elektroner ved hjælp af Boltzmann-ligningen og tilnærmelse af spredningspotentialet som overlejringen af ​​det elektroniske potentiale for hver kerne i det omgivende metal. For at forenkle beregningerne kan atomkernenes elektroniske potentialer afkortes for at give en muffin-tin pseudopotential. I denne teori er der to hovedvirkninger, der styrer ændringen af ​​resistivitet med stigende temperaturer. Begge er baseret på induktion af vibrationer i metalets atomkerner, når temperaturen stiger. Den ene er, at atomstrukturen i stigende grad bliver smurt ud, efterhånden som atomkernernes nøjagtige positioner bliver mindre og mindre veldefinerede. Den anden er introduktionen af ​​fononer. Mens udtværing generelt reducerer metalets resistivitet, tilføjer introduktionen af ​​fononer generelt spredningssteder og øger derfor resistiviteten. Sammen kan de forklare det unormale fald i resistivitet i amorfe metaller, da den første del opvejer den anden. I modsætning til almindelige krystallinske metaller bliver fononbidraget i et amorft metal ikke frosset ud ved lave temperaturer. På grund af manglen på en defineret krystalstruktur er der altid nogle fononbølgelængder, der kan spændes. Selvom denne semi-klassiske tilgang holder godt for mange amorfe metaller, bryder den generelt ned under mere ekstreme forhold. Ved meget lave temperaturer fører elektronernes kvantekarakter til elektronernes interferensvirkninger over lang rækkevidde med hinanden i det, der kaldes "svage lokaliseringseffekter". I meget stærkt uordnede metaller kan urenheder i atomstrukturen fremkalde bundne elektroniske tilstande i det, der kaldes " Anderson -lokalisering ", effektivt binde elektronerne og hæmme deres bevægelse.

Se også

Referencer

Yderligere læsning

eksterne links