Amorfinis metalas - kas tai?

Amorfinis metalas (taip pat žinomas kaip metalinis stiklas arba stiklinis metalas) yra kietoji metalinė medžiaga, paprastai lydinys, su suardyta atominių dalelių struktūra. Kiti metalai savo kietajame būvyje turi labai tvarkingas atomų sandaras, todėl yra storesni ir sunkiau apdirbami. Amorfinis metalas turi stiklo molekulinę struktūrą, tačiau neturi galimybės sudušti ir skirtingai nuo kitų stiklų, pavyzdžiui - langų stiklų, kurie paprastai yra elektros izoliatoriai, amorfiniai metalai turi ypatingai gerą elektrinį laidumą. Yra keletas būdų, kuriais galima pagaminti amorfinį metalą - lydinį ypatingai greitai vėsinant, fizikinio garų nusodinimo būdu, kietojo kūno reakcijomis, jonų apšvita ir mechaniniu lydymu.

Amorfinis metalas gaminamas labai greitai aušinant lydinius. Pavyzdžiui, amorfinio metalo juostelės gaminamos purškiant išlydytą metalą ant metalo šaldymo disko (kuris šaldo greitai besisukdamas). Greitasis šaldymas milijonais laipsnių per sekundę yra per greitas kristalams susiformuoti ir užšalti, tad medžiaga lieka vadinamojoje "stiklinėje" stadijoje. Visai neseniai buvo atrasti lydiniai kurie turi atsparumą šaldymo spartai ir yra pakankamai patvarūs, kad būtų galima sudaryti plono sluoksnio amorfinio metalo struktūrą (iki 1 milimetro). Taip pat pradėtas gaminti amorfinis plienas, kuris yra tris kartus tvirtesnis negu įprastiniai plieno lydiniai.

Istorija

Pirmasis amorfinio metalo lydinys buvo (Au75Si25) pagamintas 1960 metais. Šis ir kiti gaminami lydiniai turėjo būti aušinami labai greitai (megakelvinas per sekundę, 106 K/s), kad būtų išvengta kristalizacija. Svarbi pasekmė buvo tai, kad amorfinis metalas technologiškai galėjo būti gaminamas ribotomis formomis (įprastai - juostelėmis, folija arba viela), taip pat, kad būti atvėsinama pakankamai greitai, elementai būvo ypatingai mažų matmenų. Rezultatas toks, kad metalinio stiklo storis yra vos mažiau nei šimtas mikrometrai.

1976 metais, H. Liebermann ir C. Grahamas sukūrė naują metodą gaminti plonas amorfinio metalo juosteles ant ypatingai šalto greitai besisukančio ratelis. Tai buvo lydinys iš geležies, nikelio, fosforo ir boro. Medžiaga, žinoma kaip Metglas buvo parduodamos 1980-ųjų pradžioje ir naudojama tarp mažų nuostolių elektros skirstomųjų transformatorių (amorfinio metalo transformatorius).

1988 metais, buvo rastas lydinys iš lantano, aliuminio ir vario rūdos, kuris buvo labai panašiai formuojamas kaip stiklas. Amorfinis metalas, kurio sudėtyje yra Skandžio turi rekordinį mechaninio tempimo stiprumą - maždaug 1500 MPa.

1990 metais buvo išrasti nauji lydiniai tampantys metaliniu stiklu, esant nedidelei šaldymo spartai, kaip vienas kelvinas per sekundę. Šis aušinimo greitis gali būti pasiektas paprastai - liejimo į metalines formas pagalba. Šie amorfiniai lydiniai gali būti pagaminami iki kelių centimetrų storio (maksimalus storis priklausomai nuo lydinio) tuo pat metu išlaikant amorfinę struktūrą. Daugelis amorfinių metalų lydinių yra išgaunami panaudojant reiškinį, vadinamą "painiavos" efektu. Tokie lydiniai susideda iš tiek daug skirtingų elementų (dažniausiai keturi ar net daugiau), kad nuo aušinimo pakankamai greitai, sudedamieji atomai tiesiog negali koordinuoti savęs į tolygios pusiausvyros kristalinę stadiją iki jų mobilumas yra sustabdydomas. Tokiu būdu, gaunami ir išsaugomi atsitiktinės atrankos būdu suirusios būklės atomai.

1992 metais, komercinis amorfinis lydinys, Vitreloy (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12.5% Cu, 10%, Ni, ir 22,5% Be) buvo sukurtas Caltech, kaip Energetikos departamento ir NASA tyrimų nauja dalis erdvėlaivių medžiagoms. Poto buvo naudojama dar daugiau panašių lydinių.

2004 metais, amorfinio plieno buvo sėkmingai pagamintos dar dvi grupės, kurios yra nemagnetinės kambario temperatūroje ir žymiai stipresnės nei įprastinis plienas, tad medžiaga įvedama į viešojo ir karinio naudojimo tikslams.

Savybės

Amorfinis metalas yra lydinys, o ne grynasis metalas. Lydinyje atomai yra skirtingų dydžių. Klampumas neleidžia atomams pakankamai judėti, kad sudarytų tvarkingą būvį. Medžiagos struktūra taip pat sukelia labai mažą susitraukimą aušinimo metu ir didelį pasipriešinimą plastinėi deformacijai. Taip pat jis turi didesnį atsparumą dėvėjimuisi ir nebijo korozijos. Amorfiniai metalai, o techniškai metaliniai stiklai, taip pat yra daug stipresni ir mažiau trapūs nei oksido stiklai ir keramika.

Amorfinių medžiagų šiluminis laidumas yra mažesnis negu kristalinio metalo. Kada formuojama amorfinio metalo struktūra, greitas atvėsinimas riboja didžiausią įmanomą storį.

Kad pasiekti amorfinę struktūrą net lėčiau aušinant, lydinys turi būti pagamintas iš trijų ar daugiau komponentų, nes sudėtingų kristalų vienetų, turinčių aukštą potencinę energiją yra labai maža tikimybė susiformuoti. Komponentų atomų plotas turi gerokai skirtis (daugiau nei 12%), kad būtų pasiektas aukštas tankumas ir mažas laisvas tūris. Sudedamųjų dalių derinys turi gauti neigiamos šilumos energijos maišymo procese, kad būtų slopinamos kristalizacijos užuomazgos ir pailginamas laikas, kol išlydytas metalas susinormalizuoja.

Boro, silicio, fosforo ir kiti stiklo formos lydiniai su magnetiniu metalu (geležimi, kobaltu, nikeliu) turi didelį magnetinį imlumą ir didelę elektros varžą. Paprastai metalo stiklo laidumas yra tokio pat mažo dydžio kaip ir išlydyto metalo virš lydymosi temperatūros. Veikiant pakaitomis magnetiniais laukais, taip pat prisideda prie mažo energijos praradimo, pvz. transformatoriaus magnetinių šerdžių.