Metal amorfo

Metal amorfo

Mostres de metal amorfo, en escala en centímetros.

Un metal amorfo és un material metàlic en una estructura desordenada a escala atòmica. A diferència de la majoria dels metals, que són cristalinos i per lo tant tenen un apany sumament ordenat d'àtoms, els aleados amorfos són no cristalins. Els materials en els quals es produïx una estructura aixina de desordenada en forma directa des de l'estat líquit durant la solidificació es diuen "vidres", per lo que els metals amorfos són comunament referits com "vidres metàlics" o "metals vítreos". No obstant, existixen vàries formes, ademés de la solidificació extremadament ràpida, per a produir metals amorfos, incloent deposición física de vapors, reaccions d'estat sòlit, implantació de ions, melt spinning, i aleació mecànica. Alguns científics no consideren als metals amorfos produïts per mig d'estes tècniques com a vidres. No obstant, els especialistes en materials consideren generalment als aleados amorfos com una única classe de materials, independentment de cóm varen ser obtinguts.

Antigament es produïen menuts lots de metals amorfos per mig d'una varietat de métodos de refredat ràpit. Per eixemple, s'han produït arams de metal amorfo per mig de pulverización de metal fos sobre un disc de metal girant (melt spinning o tornejat en estat de fusió). El refredat ràpit, que es produïx en l'orde de millons de graus per segon, és massa ràpit per a permetre la formació de cristals i el material llavors queda "atrapat" en estat vítreo. Més recentment, s'han obtingut una série d'aleacions en taxa de refredat crítica lo suficientment baixa com per a permetre la formació d'estructures amorfas en capes grosses (més d'1 milímetro). Estos es coneixen com a vidres metàlics massius (bulk metallic glasses (BMG) per les seues sigles en anglés). Liquidmetal ven una série de BMGs a pur de titani, desenrollats en estudis portats a terme originalment en el Caltech. S'han produït també lots d'acers amorfos que mostren unes resistències a la tracció molt majors que les dels acers aleados convencionals. La producció de BMG per noves vies, com l'impressió 3D, és un tema d'actualitat en investigació.

Història

El primer vidre metàlic reportat va ser una aleació (Au₇₅Si₂₅) produïda en el Caltech per W. Klement (Jr.), Willens i Duwez en 1960. Esta i atres aleacions formadores de vidre metàlic primitives tenien que ser gelades extremadament ràpit (en l'orde del megakelvin per segon, 10⁶ K/s) per a evitar la seua cristalisació. Una conseqüència important d'esta llimitació va ser que els vidres metàlics solament podien obtindre's en un número llimitat de formes (per lo general llistons, laminas o cables) caracterisades per tindre una de les dimensions geomètriques molt menuda, per a permetre en això que la calor poguera ser extret lo suficientment ràpit per a alcançar l'òptima velocitat de refredat. Com a resultat, els espècimen de vidre metàlic (llevat algunes excepcions) estaven llimitats a una gruixa de menys de 100 micrómetros.

En 1969, mentres s'estudiava una aleació de 77.5% paladi, 6% coure, i 16.5% silici, es va trobar que tenia un ranc crític de refredat d'entre 100 a 1000 K/s.

En 1976, H. Liebermann i C. Graham varen desenrollar un nou método de producció de cintes primes de metal amorfo en una roda de gir ràpit superenfriada (enfriador rotatiu). Va ser una aleació de ferro, níquel, fòsfor i bor. El material, conegut com Metglas, va ser comercialisat a començ de la década de 1980 i va ser utilisat per a transformadors de distribució de potència de baixa pèrdua (transformadors de metal amorfo). El Metglas-2605 està compost per un 80% de ferro i 20% de bor, té temperatura de Curie de 373 °C i una magnetisació de saturació a temperatura ambiente d'1.56 tesles.

Al principi de la década de 1980, es varen produir també lingots vítreos de 5 mm de diàmetro a partir d'una aleació de 55% paladi, 22.5% plom, i 22.5% antimoni, per mig d'una tècnica de gravat superficial similar al aiguafort seguida per cicles de calfament i refredat. En utilisar un fundente a pur d'òxit de bor, es va incrementar a un centímetro la gruixa alcanzable.

Investigacions en l'Universitat de Tohoku i Caltech varen conseguir aleacions multicomponente basades en lantano, magnesi, zirconi, paladi, ferro, coure i titani, en velocitats crítiques de refredat entre 1 K/s i 100 K/s, comparable a la dels òxits vítreos.

En 1988, es va trobar que algunes aleacions de lantano, alumini i coure podien ser altament vítreas.

No obstant en els 90' es varen desenrollar noves aleacions que formen vidres a velocitats de refredat tan baixes com un kelvin per segon. Estes velocitats poden conseguir-se sense problemes simplement colant l'aleació fosa en mòles metàlics. estes aleacions amorfas "massives" poden molejar-se en blocs de varis centímetros de gruixa (depenent la màxima gruixa de cada tipo d'aleació) retenint encara una estructura amorfa. Les millors aleacions vítreas es basen en zirconi i paladi, pero també es coneixen aleacions basades en ferro, titani, cobre magnesi, i atres metals. Vàries aleacions amorfas es conseguixen explotant un fenomen cridat efecte "confusió". Tals aleacions contenen tants elements diferents (a sovint dotze o més) que, en gelar a velocitats suficientment altes, els àtoms simplement no poden coordinar-se en un estat cristalí estable ans que el seu desplaçament es detinga. D'esta manera es conseguix atrapar als àtoms en un estat de desorde aleatori.

En 1992, es va desenrollar en Caltech la primera aleació amorfa comercial, el Vitreloy 1 (41.2% Zr, 13.8% Tu, 12.5% Cu, 10% Ni, 22.5% Be), com a part d'una investigació en nous materials aeroespacials per part del Departament d'Energia d'Estats Units i de la NASA. A esta varen seguir atres variacions.^{cita requerida}

En 2004, dos grups varen tindre èxit en produir acer amorfo massiu: un del Oak Ridge National Laboratory, l'atre de l'Universitat de Virginia. El grup de Oak Ridge es referia al seu producte com "acer vítreo". El producte va resultar carir de magnetisme a temperatura ambiente, i ser també significativament més resistent que l'acer convencional, encara que faltava un llarc procés d'investigació i desenroll ans que estiguera disponible per a us públic o militar.

Propietats

A pesar del seu nom un metal amorfo més be sol ser una aleació abans que un metal pur. Les aleacions contenen àtoms de tamanys significativament diferents, açò provoca que els volums lliures siguen prou menors als dels metals purs, i açò a la seua volta provoca que estes aleacions en estat fos tinguen viscosidades varis órdens de magnitut majors que les de les aleacions normals i metals en estat fos. En ser molt més viscoses el moviment dels àtoms individuals és menor, lo que dificulta que es moguen en la suficient rapidea per a formar una retícula ordenada. L'estructura a nivell atòmic del material implica també una menor contracció durant el refredat, i una major resistència a la deformació plàstica. L'absència de brodes de gra, que són els punts dèbils dels materials cristalins, conduïx a una major resistència al desgast i a la corrosió. Els metals amorfos, si be són tècnicament vidres, són més tenaces i menys fràgils que els òxits vítreos i les ceràmiques.

La conductivitat tèrmica dels materials amorfos és menor que la dels cristalins. Com la formació d'estructures amorfas es basa en el refredat ràpit, açò llimita la gruixa màxima alcanzable.

Per a conseguir la formació de l'estructura amorfa inclús per mig de refredat llent, l'aleació deu estar composta de tres o més components, lo que du a celes cristalines unitàries complexes, en una major energia potencial i per lo tant menor chance de formació. El radi atòmic dels components té que ser significativament diferent (més de 12%) per a conseguir una alta densitat de empaquetamiento i volums lliures baixos. La combinació de components deuria tindre una calor de mescla negatiu per a inhibir la nucleación de cristals i prolongant aixina el temps en que el metal fos es troba en estat sobreenfriado.

Les aleacions de bor, silici, fòsfor, entre atres elements vítreos, en metals magnètics (ferro, níquel, cobalt) són magnètiques, en baixa coercividad i alta resistència elèctrica. L'alta resistència permet que presenten menors pèrdues per corrents paràsites quan se someten a camps magnètics alternats, una propietat que resulta molt desijable, per eixemple, en els núcleus de transformadorés.

Les aleacions amorfas tenen propietats potencialment útils. En particular, tendixen a ser més forts que les aleacions cristalines químicament similars, i poden soportar una major deformació elàstica reversible. Els metals amorfos deuen la seua fortalea precisament a la seua estructura no cristalina, que no presenta els defectes que llimiten la resistència de les aleacions cristalines (com les recalcada). Un metal amorfo modern, conegut com Vitreloy, té una resistència a la tracció d'a lo manco el doble que la del titani d'alt grau. No obstant, els metals vítreos a temperatura ambiente no són dúctils, i tendixen a fallar bruscament quan es traccionan, lo que llimita la seua utilitat en aplicacions de confiabilidad crítica, a on la falla imminent no sol ser evident. Per lo tant hi ha considerable interés en produir materials composts de matriu metàlica, que consistixen en una matriu de vidre metàlic que conté en la seua interior partícules dendríticas o fibres d'un metal cristalí dúctil.

Tal volta la propietat més útil dels metals amorfos massius és que són vidres autèntics, lo que implica que s'ablanixen i fluïxen en la calor. Açò permet que siguen processats per tècniques molt senzilles, tals com el molege per injecció, en formes similars als polímero. Com a resultat, les aleacions amorfas s'han comercialisat per a us en equipament deportiu, dispositius mèdics i gabinets per a equipament electrònic.

Es pot depositar una capa prima de metal amorfo com a coberta protectora per mig de termoproyección oxi-combustible d'alta velocitat.