Amorphes Metall

Ein amorphes Metall (auch bekannt als metallisches Glas oder glasartiges Metall) ist ein festes metallisches Material, üblicherweise eine Legierung, mit einer ungeordneten Struktur im atomaren Maßstab. Die meisten Metalle sind im festen Zustand kristallin, dh sie haben eine hochgeordnete Anordnung von Atomen. Amorphe Metalle sind nicht kristallin und haben eine glasartige Struktur. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gläsern wie Fensterglas, die typischerweise elektrische Isolatoren sind, haben amorphe Metalle eine gute elektrische Leitfähigkeit. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, amorphe Metalle herzustellen, einschließlich extrem schneller Abkühlung, physikalischer Dampfabscheidung, Festkörperreaktion, Ionenbestrahlung und mechanischem Legieren.

In der Vergangenheit wurden kleine Chargen amorpher Metalle durch verschiedene Schnellkühlverfahren hergestellt. Beispielsweise wurden amorphe Metallbänder hergestellt, indem geschmolzenes Metall auf eine sich drehende Metallscheibe aufgesputtert wurde (Schmelzspinnen).Die schnelle Abkühlung in der Größenordnung von Millionen Grad Celsius pro Sekunde ist zu schnell, um Kristalle zu bilden, und das Material wird in einem glasartigen Zustand “gesperrt”. In jüngerer Zeit wurde eine Anzahl von Legierungen mit kritischen Abkühlungsgeschwindigkeiten hergestellt, die niedrig genug sind, um die Bildung einer amorphen Struktur in dicken Schichten (über 1 mm) zu ermöglichen. diese werden als massive metallische Gläser (BMG) bezeichnet. In jüngerer Zeit wurden Chargen aus amorphem Stahl mit der dreifachen Festigkeit herkömmlicher Stahllegierungen hergestellt.

Geschichte
Das erste gemeldete metallische Glas war eine Legierung (Au 75 Si 25 ), die 1960 von W. Klement (Jr.), Willens und Duwez in Caltech hergestellt wurde. Diese und andere frühere glasbildende Legierungen mussten extrem schnell abgekühlt werden (auf Bestellung) von einem Megakelvin pro Sekunde, 106 K / s), um Kristallisation zu vermeiden. Eine wichtige Folge davon war, dass metallische Gläser nur in einer begrenzten Anzahl von Formen (typischerweise Bändern, Folien oder Drähten) hergestellt werden konnten, bei denen eine Dimension klein war, sodass die Wärme schnell genug abgeleitet werden konnte, um die erforderliche Abkühlgeschwindigkeit zu erreichen. Als Ergebnis waren metallische Glasproben (mit wenigen Ausnahmen) auf Dicken von weniger als einhundert Mikrometern beschränkt.

Im Jahr 1969 wurde bei einer Legierung aus 77,5% Palladium, 6% Kupfer und 16,5% Silizium eine kritische Abkühlgeschwindigkeit zwischen 100 und 1000 K / s festgestellt.

1976 entwickelten H. Liebermann und C. Graham ein neues Verfahren zur Herstellung dünner Bänder aus amorphem Metall auf einem unterkühlten schnellspinnenden Rad. Dies war eine Legierung aus Eisen, Nickel, Phosphor und Bor. Das Material, bekannt als Metglas, wurde Anfang der 80er Jahre auf den Markt gebracht und wird für verlustarme Stromverteilungswandler (Transformator aus amorphem Metall) verwendet. Metglas-2605 besteht aus 80% Eisen und 20% Bor, hat eine Curie-Temperatur von 373 ° C und eine Sättigungsmagnetisierung bei Raumtemperatur von 1,56 Teslas.

In den frühen achtziger Jahren wurden glasartige Barren mit einem Durchmesser von 5 mm aus der Legierung aus 55% Palladium, 22,5% Blei und 22,5% Antimon durch Oberflächenätzen mit anschließenden Aufheiz-Kühl-Zyklen hergestellt. Mit Boroxidfluss wurde die erreichbare Dicke auf einen Zentimeter erhöht.

Die Forschung an der Tohoku University und Caltech ergab Multikomponentenlegierungen auf der Basis von Lanthan, Magnesium, Zirkonium, Palladium, Eisen, Kupfer und Titan mit einer kritischen Abkühlgeschwindigkeit zwischen 1 K / s bis 100 K / s, vergleichbar mit Oxidgläsern.
Im Jahr 1988 wurde festgestellt, dass Legierungen aus Lanthan, Aluminium und Kupfererz stark glasbildend sind. Metallische Gläser auf Al-Basis, die Scandium enthielten, zeigten eine mechanische Zugfestigkeit vom Rekord-Typ von etwa 1500 MPa.

In den 1990er Jahren wurden neue Legierungen entwickelt, die Gläser mit Abkühlraten von bis zu einem Kelvin pro Sekunde bilden. Diese Abkühlraten können durch einfaches Gießen in metallische Formen erreicht werden. Diese “massiven” amorphen Legierungen können in Teile mit einer Dicke von bis zu mehreren Zentimetern (die maximale Dicke abhängig von der Legierung) gegossen werden, wobei eine amorphe Struktur erhalten bleibt. Die besten glasbildenden Legierungen basieren auf Zirkonium und Palladium, aber auch Legierungen auf der Basis von Eisen, Titan, Kupfer, Magnesium und anderen Metallen sind bekannt. Viele amorphe Legierungen werden durch Ausnutzung eines als “Verwirrungseffekt” bezeichneten Phänomens gebildet. Solche Legierungen enthalten so viele verschiedene Elemente (oft vier oder mehr), dass sich die Atomatome beim Abkühlen mit ausreichend hohen Geschwindigkeiten einfach nicht in den Gleichgewichtskristallzustand bringen können, bevor ihre Beweglichkeit gestoppt wird. Auf diese Weise wird der zufällige ungeordnete Zustand der Atome “eingesperrt”.

1992 wurde bei Caltech die kommerzielle amorphe Legierung Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni und 22,5% Be) als Teil des Department of Energy und der NASA-Forschung von new entwickelt Luftfahrtmaterialien. Weitere Varianten folgten.
Im Jahr 2004 wurde amorpher Stahl in loser Schüttung von zwei Gruppen erfolgreich produziert: Eine Gruppe am Oak Ridge National Laboratory, die ihr Produkt als “glasartigen Stahl” bezeichnet, und die andere an der University of Virginia, die sich “DARVA-Glass 101” nennt. Das Produkt ist bei Raumtemperatur nicht magnetisch und deutlich stärker als herkömmlicher Stahl, obwohl vor der Einführung des Materials in die öffentliche oder militärische Verwendung ein langer Forschungs- und Entwicklungsprozess bestehen bleibt.

Im Jahr 2018 berichtete ein Team des SLAC National Accelerator Laboratory, des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der Northwestern University über den Einsatz künstlicher Intelligenz, um Proben von 20.000 verschiedenen möglichen metallischen Glaslegierungen pro Jahr vorherzusagen und zu bewerten. Ihre Methoden versprechen, die Forschung und die Markteinführung neuer amorpher Metalllegierungen zu beschleunigen.

Konstruktion und Produktion
Gläser sind feste Materialien ohne Kristallstruktur. Das heißt, die Atome bilden kein Gitter, sondern sind auf den ersten Blick willkürlich angeordnet: Es gibt keine Entfernung, aber höchstens eine enge Ordnung, diese Struktur wird als amorph bezeichnet.

Amorphe Metalle entstehen wie alle Gläser durch Verhinderung der natürlichen Kristallisation. Dies kann beispielsweise durch schnelles Abkühlen (“Quenchen”) der Schmelze geschehen, so dass die Atome der Mobilität beraubt werden, bevor sie die Kristallanordnung einnehmen können. Dies ist jedoch besonders schwierig für Metalle, da es aufgrund ihrer speziellen Bindungsmechanismen in den meisten Fällen unrealistisch hohe Abkühlraten erfordert. Bei Metallen, die nur aus einem Element bestehen, ist es sogar unmöglich, ein metallisches Glas herzustellen, da die Beweglichkeit der Atome bei niedrigen Temperaturen so hoch ist, dass sie immer kristallisieren. Es sind nur Legierungen von mindestens zwei Metallen bekannt, die amorphisierbar sind (z. B. AuIn 2 ). Häufiger sind amorphe Legierungen aus nur einem Metall Fe – und einem sogenannten Glasbildner -. B. Bor oder Phosphor, wie in der Zusammensetzung Fe 4 B. Technisch relevante amorphe Metalle sind auch heute nur noch Sonderlegierungen (meist nahe am eutektischen Punkt) aus mehreren Elementen, für die die notwendige Abkühlgeschwindigkeit technisch erreichbar ist. Bei den ersten metallischen Gläsern waren dies noch bis zu 10 6 K / s. (Zum Vergleich: Im Fall von Silikaten reicht eine Abkühlungsrate von etwa 0,1 K / s aus, um eine Kristallisation zu verhindern, würden sie sich jedoch langsam genug abkühlen lassen, würden auch sie kristallisieren.)

Die Wärmeleitfähigkeit setzt der schnellen Abkühlung eine physikalische Grenze: Unabhängig davon, wie schnell die Umgebungstemperatur abgesenkt wird, muss die Wärme vom Inneren des Materials zur Außenfläche transportiert werden. Dies bedeutet, dass abhängig von der erforderlichen Abkühlgeschwindigkeit und der Wärmeleitfähigkeit nur eine bestimmte Probendicke erreicht werden kann. Eine Methode ist das schnelle Abkühlen zwischen rotierenden Kupferwalzen (Schmelzspinnen). Dies ist einfach und kostengünstig, erlaubt aber nur die Herstellung dünner Bänder und Drähte.

Dünne amorphe Schichten und amorphe Bänder können auch durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase oder durch Sputtern erhalten werden.

Erst vor wenigen Jahren sind massive Metallgläser (englisch: Bulk Metallic Glasses) bekannt, die Materialstärken von mehr als einem Millimeter erlauben (eine willkürlich gewählte Grenze). Die Erwartungen an diese neue Materialklasse sind hoch, auch wenn sie bisher wenig genutzt wurden.Sie bestehen meist aus fünf oder mehr verschiedenen Elementen, wobei in der Regel drei grundsätzlich unterschiedliche Atomgrößen dargestellt werden. Die resultierenden Kristallstrukturen sind so komplex, dass bereits Abkühlraten von wenigen Kelvin pro Sekunde ausreichen, um die Kristallisation zu unterdrücken. Die erreichbaren Dicken betragen derzeit ein bis zwei Zentimeter, wobei nur Legierungen mit sehr teuren Komponenten (z. B. Zirkonium, Yttrium oder Platin) 25 Millimeter erreichen. Über diese Marke kommt nur PdCuNiP, das seit 1997 einen Einzelrekord von mehr als sieben Zentimetern hält. Da es einen Molanteil von 40 Prozent Palladium gibt, ist der Preis sehr hoch.

Eigenschaften
Amorphes Metall ist normalerweise eine Legierung und kein reines Metall. Die Legierungen enthalten Atome mit deutlich unterschiedlichen Größen, die im geschmolzenen Zustand zu einem geringen freien Volumen (und damit um bis zu Größenordnungen höherer Viskosität als andere Metalle und Legierungen) führen. Die Viskosität verhindert, dass sich die Atome genug bewegen, um ein geordnetes Gitter zu bilden. Die Materialstruktur führt auch zu einer geringen Schrumpfung während des Abkühlens und einer Beständigkeit gegen plastische Verformung. Das Fehlen von Korngrenzen, die Schwachstellen kristalliner Materialien, führt zu einer besseren Beständigkeit gegen Verschleiß und Korrosion. Amorphe Metalle sind zwar technisch gesehen Gläser, aber auch viel zäher und weniger spröde als Oxidgläser und Keramiken.

Amorphes Metall sind

härter als ihre kristallinen Gegenstücke und haben eine hohe Festigkeit. Kleine Verformungen (≈ 1%) sind rein elastisch. Das heißt, die absorbierte Energie geht nicht als Verformungsenergie verloren, sondern wird beim Zurückfedern des Materials (also beispielsweise in Golfschlägern) vollständig freigesetzt. Die mangelnde Verformbarkeit macht sie jedoch auch spröde: Wenn das Material versagt, dann plötzlich und durch Brechen, nicht durch Biegen wie bei einem Metall.

Die Korrosionsbeständigkeit ist üblicherweise höher als bei Metallen vergleichbarer chemischer Zusammensetzung. Dies liegt daran, dass Korrosion normalerweise an Korngrenzen zwischen den Einkristalliten eines Metalls angreift, das in amorphen Materialien nicht vorhanden ist.
Es gibt magnetische und nichtmagnetische amorphe Metalle. Einige von ihnen sind (hauptsächlich wegen des Fehlens von Kristallfehlern):

Die besten im Handel erhältlichen weichmagnetischen Materialien: Die amorphen Legierungen der Glasbildner Bor, Silizium und Phosphor und die Metalle Eisen, Kobalt und / oder Nickel sind magnetisch, normalerweise (dh im Fall der Nichtdominanz von Kobalt) weich magnetisch, d. H. mit niedriger Koerzitivfeldstärke und gleichzeitig haben

einen hohen elektrischen Widerstand (in der Regel ist die Leitfähigkeit metallisch, liegt aber in der gleichen Größenordnung wie geschmolzene Metalle knapp über dem Schmelzpunkt). Dies führt zu geringen elektrischen Wirbelstromverlusten, was die Materialien von Transformatoren interessant macht (siehe unten).

Konventionelle Metalle ziehen sich typischerweise bei der Erstarrung zusammen. Da die Verfestigung als Glas kein Phasenübergang erster Ordnung ist, findet dieser Volumensprung hier nicht statt. Wenn die Schmelze eines metallischen Glases eine Form füllt, bleibt sie erstarrt. Dies ist ein Verhalten, das z. B. aus Polymeren bekannt ist und bei der Verarbeitung (zB Spritzguss) große Vorteile bietet. In diese Eigenschaft werden daher die höchsten Hoffnungen für die zukünftige Bedeutung amorpher Metalle gesetzt.

Die Wärmeleitfähigkeit von amorphen Materialien ist niedriger als die von kristallinem Metall. Da die Bildung einer amorphen Struktur von einer schnellen Abkühlung abhängt, begrenzt dies die maximal erreichbare Dicke von amorphen Strukturen.

Um die Bildung einer amorphen Struktur auch während eines langsameren Abkühlens zu erreichen, muss die Legierung aus drei oder mehr Komponenten bestehen, was zu komplexen Kristalleinheiten mit einem höheren Potentialpotential und einer geringeren Wahrscheinlichkeit der Bildung führt. Der Atomradius der Komponenten muss erheblich abweichen (über 12%), um eine hohe Packungsdichte und ein geringes freies Volumen zu erreichen. Die Kombination der Komponenten sollte eine negative Mischungswärme aufweisen, die Kristallkeimbildung hemmen und die Zeit verlängern, in der das geschmolzene Metall im unterkühlten Zustand bleibt.

Die Legierungen von Bor, Silizium, Phosphor und anderen Glasbildnern mit magnetischen Metallen (Eisen, Kobalt, Nickel) weisen eine hohe magnetische Suszeptibilität mit geringer Koerzitivfeldstärke und hohem elektrischem Widerstand auf. Gewöhnlich liegt die Leitfähigkeit eines metallischen Glases in der gleichen Größenordnung wie bei einem geschmolzenen Metall knapp über dem Schmelzpunkt. Der hohe Widerstand führt zu niedrigen Verlusten durch Wirbelströme bei Wechselmagnetfeldern, eine Eigenschaft, die beispielsweise für Transformator-Magnetkerne nützlich ist. Ihre geringe Koerzitivfeldstärke trägt ebenfalls zu einem geringen Verlust bei.

Amorphe Metalle haben höhere Dehngrenzen und höhere elastische Dehnungsgrenzen als polykristalline Metalllegierungen, jedoch sind ihre Duktilitäten und Ermüdungsfestigkeiten niedriger.Amorphe Legierungen haben eine Vielzahl potentiell nützlicher Eigenschaften. Insbesondere neigen sie dazu, fester als kristalline Legierungen ähnlicher chemischer Zusammensetzung zu sein, und sie können größere reversible (“elastische”) Verformungen aushalten als kristalline Legierungen.Amorphe Metalle haben ihre Stärke direkt aus ihrer nichtkristallinen Struktur, die keine Defekte aufweist (z. B. Versetzungen), die die Festigkeit von kristallinen Legierungen begrenzen. Ein modernes amorphes Metall, bekannt als Vitreloy, hat eine fast doppelt so hohe Zugfestigkeit wie hochwertiges Titan. Metallische Gläser sind bei Raumtemperatur jedoch nicht duktil und neigen bei Belastung zu einem plötzlichen Versagen, was die Anwendbarkeit des Materials in zuverlässigkeitskritischen Anwendungen einschränkt, da der bevorstehende Ausfall nicht offensichtlich ist. Daher besteht ein erhebliches Interesse an der Herstellung von Metallmatrix-Verbundstoffen, die aus einer Metallglasmatrix bestehen, die dendritische Teilchen oder Fasern eines duktilen kristallinen Metalls enthält.

Vielleicht ist die nützlichste Eigenschaft von amorphen Massenlegierungen, dass es sich um echte Gläser handelt, was bedeutet, dass sie beim Erhitzen weich werden und fließen. Dies ermöglicht eine einfache Verarbeitung, beispielsweise durch Spritzgießen, ähnlich wie Polymere. Infolgedessen wurden amorphe Legierungen zur Verwendung in Sportgeräten, medizinischen Geräten und als Gehäuse für elektronische Geräte auf den Markt gebracht.

Dünne Filme aus amorphen Metallen können mit der Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstofftechnik als Schutzbeschichtung abgeschieden werden.

Produktion aus der Schmelze

Thermodynamisches Prinzip
Wie im Fall von Quarzglas ist die auf den festen Zustand abgekühlte geschmolzene Legierung nur dann amorph, wenn die Schmelztemperatur T f ausreichend schnell vergangen ist, so dass die konstituierenden Atome der Legierung nicht die Zeit haben, sich entsprechend einer kristallinen Struktur zu organisieren . Das heißt, die Flüssigkeit muss mit einer Geschwindigkeit oberhalb einer kritischen Geschwindigkeit R c gekühlt werden, so dass die Temperaturen unterhalb von T f erreicht werden, ohne dass sich die Flüssigkeit verfestigt.

Dies führt zur Kontinuität der Variation einer thermodynamischen Größe wie dem von dieser Phase eingenommenen Volumen (durch Aufrechterhalten des konstanten Drucks) oder einer der thermodynamischen Funktionen der Molarenergie, wie beispielsweise der Enthalpie H, ohne Änderung der Steigung Punkt T f . Eine Kristallisation hätte zu einer Diskontinuität dieser Größen und zu einer Änderung ihrer Steigung in einem Diagramm (V, T) oder (H, T) geführt.

Nach dem Durchgang von T f befindet sich das Material in einem metastabilen Zustand, der als unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet wird; Es ist immer noch flüssig, aber seine Viskosität steigt mit der Absenkung seiner Temperatur schnell an.

Durch das weitere Absenken der Temperatur gefriert die Flüssigkeit zu einem amorphen Feststoff, in dem die Atome eine ungeordnete Organisation aufweisen, die derjenigen in der unterkühlten Flüssigkeit ähnlich ist.

Die Passage von unterkühlter Flüssigkeit zu einem amorphen Feststoff führt zu einem Diagramm (V, T) oder (H, T) durch Brechen der Steigung der Kurve am Punkt T g (Glasübergangstemperatur) ohne Diskontinuität des spezifischen Volumens oder der Enthalpie . Wenn die unterkühlte Flüssigkeit bei konstanter Temperatur in beobachtbaren Zeiten kristallisieren kann, ist dies nicht mehr der Fall des amorphen Feststoffs.

All dies macht die Ähnlichkeit zwischen metallischem Glas und Quarzglas aus. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Materialtypen im Hinblick auf ihre Gewinnung ist die kritische Abschreckgeschwindigkeit R c, die von der Zusammensetzung der zu kühlenden Flüssigkeit abhängt. Wenn für Quarzglas Rc niedrig genug ist, um die Glaspaste für lange Zeit zu bearbeiten und zu formen, haben die Metalle eine sehr hohe Neigung zur Kristallisation, und die ersten amorphen Legierungen, die für das binäre Au 80 Si 20 erhalten werden, erforderten eine Übertemperatur bei 10 6 K / s.

Dieser Unterschied in der kritischen Abschreckgeschwindigkeit bedeutet, dass die verwendeten Verfahren und die für diese beiden Materialien erhaltenen Teile radikal unterschiedlich sind.

Ausarbeitung der Legierung
Für eine gegebene Legierungszusammensetzung wird die kritische Abschreckrate R c eingestellt; es variiert von einer Legierung zur anderen. Für viele Zusammensetzungen ist es nicht möglich, aus dem geschmolzenen Zustand einen amorphen Feststoff zu erhalten. Die Regeln Empirical wurden jedoch von Akihisa Inoue aufgestellt, die Kriterien für eine bessere Fähigkeit zur Bildung eines amorphen Festkörpers enthalten. Diese Regeln besagen:

Die Legierung muss aus mehreren Komponenten bestehen (mindestens drei Elemente und sehr oft fünf oder mehr).
Die Hauptelemente der Legierung müssen eine Differenz der Atomgrößen von mindestens 12% aufweisen.
Die binären und ternären Phasendiagramme der konstituierenden Elemente müssen tiefe Eutektika aufweisen, was auf langsamere atomare Bewegungen in der Legierung hinweist.
Die Mischenergie zwischen den Hauptelementen muss negativ sein.

Diese Regeln sind das Ergebnis experimenteller Beobachtungen von Trends und sollten jedoch mit Vorsicht betrachtet werden: Eine geringfügige Änderung der Zusammensetzung der Legierung, die die Einhaltung der Regeln von Inoue nicht ändert, kann die Fähigkeit zur Bildung amorpher Feststoffe erheblich verändern.

Die Fähigkeit zur Bildung eines amorphen Feststoffs kann beispielsweise anhand der Amplitude des Temperaturbereichs der unterkühlten Flüssigkeitszone bewertet werden. Wenn er zunimmt, nimmt die kritische Abschreckrate R c ab, was es ermöglicht, einen amorphen Feststoff mit weniger schnellem Abschrecken unter weniger strengen Bedingungen und mit einer größeren Dicke herzustellen. Da Abschrecktechniken schwer zu verbessern sind und die Abschreckgeschwindigkeit immer durch die Wärmediffusion in der Probe selbst begrenzt ist, ist die manchmal systematische Untersuchung von Legierungszusammensetzungen auf große Fähigkeiten zur Bildung amorpher Feststoffe ein sehr aktiver Forschungsbereich.

Abschreckungsmethoden
Wenn die Legierung erst einmal entwickelt ist, beeinflusst das Abschreckverfahren die endgültige Form der erzeugten Objekte stark: Die Flüssigkeit erstarrt während des Abschreckens und die Bearbeitung dieser zerbrechlichen Materialien ist schwierig. Das erstarrte amorphe Material kann jedoch, wenn es eine große Zone unterkühlter Flüssigkeit hat, auf diese Temperaturen erhitzt werden und besitzt dann plastische Eigenschaften, die für die Formgebung interessant sind.

Löschung am Rad
Das Schmelzspinnen ist eine Methode, die seit Beginn der amorphen Metalllegierungen verwendet wird. Es ermöglicht, sehr hohe Abschreckgeschwindigkeiten durch Kontakt mit einer gekühlten Metalltrommel und durch Herstellung dünner Proben (etwa 10 & mgr; m dick) zu erreichen. Dies ergibt eine Hypertrempe (10 6 K / s). So können lange Bänder auf industrielle Weise hergestellt werden, die beim Glühen und Aufrollen als ferromagnetischer Kern für Transformatoren Anwendung finden.

In eine gekühlte Form gießen
Es ist einfach eine Frage des Einspritzens oder Fließens des flüssigen Metalls in einer Metallform, die gut gekühlte Wärme leitet, beispielsweise durch einen Wasserkühlkreislauf. Dies macht es möglich, massive Metallglasproben herzustellen, vorausgesetzt, die Größe der gewünschten Probe stimmt mit der Zusammensetzung der verwendeten Legierung überein.
In Anbetracht der Schwierigkeit, Metallglasteile wegen ihrer großen Zerbrechlichkeit zu bearbeiten, ist die Form der Form die der endgültigen Probe. Die verwendeten Formen sind im Allgemeinen Stäbe oder Platten.

Löschen mit Wasser
Die Flüssigkeit kann auch in einen kalten Flüssigkeitstank wie kaltes Wasser abgegeben werden.Man erhält dann amorphe feste Perlen.

Andere Produktionsmethoden

Mechanische Eigenschaften
Metallische Gläser haben bei Raumtemperatur sehr hohe Bruchkräfte (bis zu 2 GPa für Gläser auf Zr-Basis), die mit besonders wichtigen elastischen Verformungen (in der Größenordnung von 2%) einhergehen. Makroskopisch zeigen sie ein allgemein fragiles Verhalten (Bruch ohne vorherige plastische Verformung), aber man bemerkt das Vorhandensein von Scherbändern, die für eine lokale plastische Aktivität charakteristisch sind: Daher wird diese Art der Verformung als heterogene Mode bezeichnet. Dieses lokale plastische Verformungsvermögen ist der Grund, warum diese Legierungen herkömmlicherweise eine gute Beständigkeit gegenüber Stößen und Rissen aufweisen. Im Gegensatz zu ihren kristallinen Gegenstücken ist die Plastizität von amorphen Metalllegierungen druckempfindlich: In kristallinen Metallen wie amorph wird Plastizität durch Scherung induziert, aber in Kristallen beeinflusst isostatischer Druck die Plastizität nicht, während sie in amorphem Material abnimmt.
Bei hoher Temperatur (T> 0,8 T g) kann das Material einer homogenen Verformungsart folgen, für die die Scherbänder vollständig verschwinden und das gesamte Material an der Verformung beteiligt ist. Das Glas kann in diesem Modus dort Verformungen von bis zu mehr als 10 000% Zugkraft erfahren.

Diffusion in metallischen Gläsern
Kristalline Materialien haben zwei Hauptmodi für die Diffusion: Gap-Mode-Diffusion, die für Atome an Netzwerkstellen auftritt; und interstitielle Diffusion, in diesem Fall können kleine Atome, die sich zwischen den Stellen des Kristallgitters befinden, durch Sprünge zwischen den Atomen des Gitters wandern. Bei amorphen Materialien ist die Situation aufgrund des Fehlens eines Kristallgitters weniger klar.

Experimentell wird bei den metallischen Gläsern während des Übergangs des Glasübergangs eine Änderung der Steigung des Diffusionsregimes beobachtet, was zu einer geringeren Abhängigkeit des Diffusionskoeffizienten von der Glastemperatur führt, wodurch der Koeffizient höher wird als dies der Fall wäre vorhergesagt durch Extrapolation von unterkühlten Flüssigkeitswerten.

Strukturelle Entspannung
Wenn ein Glas bei einer Temperatur T <Tg gehalten wird, zeigt es das Phänomen der strukturellen Relaxation. Das Glas wird atomaren Umlagerungen unterzogen, um die fiktive Temperatur T f näher an die isotherme Behandlungstemperatur zu bringen. Daher wird die Dichte des Glases tendenziell zunehmen. Russew und Sommer haben gezeigt, dass diese Dichteschwankung bei Pd-basierten Brillen etwa 0,2% erreichen kann.
Diese Dichteschwankung wurde durch Positron-Lebensdauermessungen (PAS-Positron-Annihilationsspektroskopie) an Zr-Basisklassen bestätigt. Auf die strukturelle Relaxation können Röntgenbeugungsexperimente folgen, die zwei Mechanismen zeigen, die mit der strukturellen Relaxation zusammenhängen: radiale atomare Bewegungen, die die Glasdichte erhöhen (topologische Nahordnung oder TSRO), und lokale Bewegungen, die die chemische Ordnung im kurzen Bereich erhöhen (CSRO) aber die Dichte unverändert lassen.

Die Zunahme der Dichte geht einher mit einem Anstieg des Young-Moduls 21, der im Fall von amorphen Bändern auf Pd-Basis 10% erreichen kann. Strukturelle Relaxation führt zu einer Änderung der Enthalpie, die mit dem durch DSC gemessenen Glasübergang verbunden ist, direkt proportional zu der Dichteänderung.

Verschiedene physikalische Eigenschaften
Metallische Linsen zeichnen sich durch außergewöhnliche Eigenschaften aus: Beständigkeit gegen Korrosion und Abrieb, außergewöhnlich weicher Ferromagnetismus, sehr hohe Streckgrenze, Formatierungsmöglichkeiten, Biokompatibilität etc. Ihre Kommerzialisierung begann in den letzten Jahrzehnten in Form von Bändern für Transformatoren oder als Bewehrung aus Stahlbeton und in den letzten Jahren für Massivbrillen als Sportartikel (Tennisschläger, Golfschläger, Baseballschläger), Elemente für hochwertige elektronische Geräte Komponenten usw. Diese Materialien sind jedoch teuer, sie zielen hauptsächlich auf Sektoren mit hoher Wertschöpfung (medizinisch, militärisch, Luxus …) oder auf den Sektor der Mikromechanik ab, für den der Preis des Materials im Vergleich zu den Kosten des Unternehmens vernachlässigbar wird Herstellungsverfahren.

Anwendungen
Die wichtigste Anwendung liegt derzeit in den besonderen magnetischen Eigenschaften einiger ferromagnetischer Metallgläser. Der geringe Magnetisierungsverlust wird in Transformatoren mit hohem Wirkungsgrad (Transformator aus amorphem Metall) bei Netzfrequenz und einigen Transformatoren mit höherer Frequenz verwendet. Amorpher Stahl ist ein sehr sprödes Material, das es schwierig macht, in Motorlamellen zu stanzen. Auch bei der elektronischen Artikelüberwachung (wie passive ID-Tags zur Diebstahlkontrolle) werden aufgrund dieser magnetischen Eigenschaften häufig metallische Gläser verwendet.

Amorphe Metalle zeigen über ihrem Glasübergang ein einzigartiges Erweichungsverhalten, und diese Erweichung wurde zunehmend für das thermoplastische Umformen von metallischen Gläsern erforscht. Eine derart niedrige Erweichungstemperatur ermöglicht die Entwicklung einfacher Methoden zur Herstellung von Verbundstoffen aus Nanopartikeln (z. B. Kohlenstoffnanoröhren) und BMGs. Es hat sich gezeigt, dass metallische Gläser mit extrem kleinen Längenskalen von 10 nm bis zu mehreren Millimetern strukturiert werden können. Dies kann die Probleme der Nanoimprint-Lithographie lösen, bei der teure Nano-Formen aus Silizium leicht brechen. Nanoformen aus metallischen Gläsern sind einfach herzustellen und haltbarer als Silikonformen. Die überlegenen elektronischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften von BMGs im Vergleich zu Polymeren machen sie zu einer guten Option für die Entwicklung von Nanokompositen für elektronische Anwendungen wie Feldelektronenemissionsvorrichtungen.

Konventionelle metallische Gläser, die als dünne Bänder relativ kostengünstig hergestellt werden können, werden seit den 1980er Jahren aufgrund ihrer besonderen weichmagnetischen Eigenschaften hauptsächlich in folgenden Anwendungsbereichen der Elektrotechnik eingesetzt:

als Adern für Sensoren (Stromwandler, FI-Schalter).
als Kerne für Transformatoren mit besonders geringen Leerlaufverlusten. Diese werden hauptsächlich in den USA eingesetzt.
in harmonischen und akustischen Magnetfeldern.

Feste metallische Gläser weisen eine einzigartige Kombination von Materialeigenschaften auf, sind jedoch relativ teuer. Sie werden daher hauptsächlich in Luxusartikeln oder High-Tech-Anwendungen (auch im militärischen Bereich) eingesetzt, wo der hohe Preis eine untergeordnete Rolle spielt. Die im Handel erhältlichen massiven Metallgläser stehen häufig in Konkurrenz zu Titan. Pionier ist die Firma Liquidmetal Technologies, die hauptsächlich Gläser auf Zirkoniumbasis anbietet. Weitere kommerzielle Anbieter von massivem metallischem Glas sind YKK und Advanced Metal Technology.

Es wird angenommen, dass Ti 40 Cu 36 Pd 14 Zr 10 nicht karzinogen ist, etwa dreimal stärker als Titan ist und sein Elastizitätsmodul nahezu mit den Knochen übereinstimmt. Es hat eine hohe Verschleißfestigkeit und erzeugt kein Abriebpulver. Die Legierung erfährt beim Verfestigen keine Schrumpfung. Es kann eine Oberflächenstruktur erzeugt werden, die biologisch durch Oberflächenmodifizierung mit Laserpulsen anhaftbar ist, um eine bessere Verbindung mit Knochen zu ermöglichen.

Mg 60 Zn 35 Ca 5 , das zur Erzielung einer amorphen Struktur schnell abgekühlt wird, wird an der Lehigh University als Biomaterial für die Implantation in Knochen als Schrauben, Stifte oder Platten untersucht, um Frakturen zu fixieren. Im Gegensatz zu herkömmlichem Stahl oder Titan löst sich dieses Material etwa 1 Millimeter pro Monat in Organismen auf und wird durch Knochengewebe ersetzt. Diese Geschwindigkeit kann durch Variieren des Zinkgehalts eingestellt werden.

Luft- und Raumfahrt
Bei hohen Materialpreisen, die in diesen Bereichen aufgrund der generell hohen Priorität für Kosten und Sicherheit unwichtig sind, wird metallisches Glas überall dort eingesetzt, wo seine einzigartigen Eigenschaften eine Rolle spielen könnten. Teile der Sonnenwindkollektoren der Genesis-Sonde wurden aus amorphem Metall hergestellt.

Materialveredelung für industrielle Anwendungen
Die Oberflächeneigenschaften herkömmlicher Materialien können durch Beschichten mit amorphen Metallen härter, widerstandsfähiger und verschleißfester gemacht werden (kommerzielles Beispiel: Liquidmetall-Armacor-Beschichtung).

Medizin
Bereits erhältlich sind (vor allem ophthalmische) Skalpelle aus amorphem Metall, die wegen der großen Härte schärfer als solche aus Edelstahl sind und ihre Schärfe noch länger behalten.Aufgrund der Biokompatibilität, der hohen Festigkeit und des relativ geringen Gewichts und der Verschleißfestigkeit werden chirurgische Implantate in Betracht gezogen.

Militär
Zahlreiche Entwicklungsprojekte, insbesondere des US-Verteidigungsministeriums, testen die Verwendung von amorphen Metallen für verschiedene Anwendungen. Beispielsweise wird erwartet, dass metallische Gläser auf Wolframbasis herkömmliche Wolframlegierungen und abgereichertes Uran in panzerbrechenden Auswuchtgeschossen aufgrund ihrer hohen Härte und ihres selbstschärfenden Verhaltens ersetzen. In der militärischen Luftfahrt sollen amorphe Metallbeschichtungen die Härte und Korrosionsbeständigkeit leichterer Metalle wie Aluminium und Titan erhöhen.

Schmuck
Einige metallische Gläser bestehen aus Edelmetallen (z. B. Platin), sind jedoch viel härter als diese und kratzen daher nicht. Darüber hinaus ermöglichen die speziellen Bearbeitungsmöglichkeiten die Herstellung von Formen, die mit herkömmlichen Metallen schwer zu erreichen sind.

Sport- und Freizeitartikel
Golfclubs waren 1998 eines der ersten kommerziellen amorphen Metallprodukte und wurden von der Firma Liquidmetal verwendet, um das Material für groß angelegte Werbekampagnen zu lancieren (einschließlich des professionellen Golfspielers PGA Tour, Paul Azinger). Golfclubs profitieren vor allem von der unübertroffenen Elastizität amorpher Metalle. In der Entwicklung (obwohl noch nicht kommerzialisiert) sind Tennis- und Baseballschläger, Angelausrüstung, Ski, Snowboards, Fahrräder und Sportgewehre.

Unterhaltungselektronik
Die glatte, schimmernde und kratzfeste Oberfläche metallischer Linsen hat zur Verwendung exklusiver Mobiltelefone, MP3-Player und USB-Sticks geführt. Die hohe Festigkeit (besser als Titan) ermöglicht eine geringere Wandstärke, dadurch noch geringeres Gewicht und noch mehr Miniaturisierung. Das Spritzgießen ermöglicht mehr Gestaltungsfreiheit und eine günstigere Verarbeitung als Edelstahl oder Titan, die geschmiedet werden müssen. Zierliche Handyscharniere, bei denen große Kräfte die kleinsten Bauteile angreifen, profitieren von den überlegenen mechanischen Eigenschaften metallischer Brillen.
Hohe Erwartungen werden an amorphe Stähle gestellt, wenn sie marktreif werden. Im Gegensatz zu den bereits kommerzialisierten Metallgläsern wären die Materialkosten niedrig genug, um sie zu einem vollwertigen Strukturmaterial für größere Bauteile zu machen. Sollten die bestehenden technischen Probleme gelöst werden und amorphe Stähle marktreif werden, konkurrieren sie insbesondere mit Titan und Edelstahl und punkten mit höherer Korrosionsbeständigkeit und besserer Verarbeitbarkeit.

Modellierung und Theorie
Bulk-Metallgläser (BMGs) wurden jetzt mithilfe von Simulationen im atomaren Maßstab (im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie) auf ähnliche Weise wie Legierungen mit hoher Entropie modelliert. Dies ermöglichte Vorhersagen über ihr Verhalten, ihre Stabilität und viele weitere Eigenschaften. So können neue BMG-Systeme getestet und maßgeschneiderte Systeme erstellt werden. geeignet für einen bestimmten Zweck (z. B. Knochenersatz oder Aero-Engine-Komponente), ohne empirische Suche des Phasenraums und experimentelles Ausprobieren.