Metal amorfo
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Muestras de metal amorfo, con escala milimétrica

Un metal amorfo (también conocido como vidrio metálico o metal vítreo ) es un material metálico sólido , generalmente una aleación , con una estructura de escala atómica desordenada. La mayoría de los metales son cristalinos en su estado sólido, lo que significa que tienen una disposición de átomos muy ordenada . Los metales amorfos no son cristalinos y tienen una estructura similar al vidrio . Pero a diferencia de los vidrios comunes, como los vidrios de las ventanas, que suelen ser aislantes eléctricos , los metales amorfos tienen buena conductividad eléctrica y también muestran superconductividad a bajas temperaturas.

Hay varias formas en que se pueden producir metales amorfos, incluido el enfriamiento extremadamente rápido , la deposición física de vapor , la reacción en estado sólido , la irradiación de iones y la aleación mecánica . [1] [2] Anteriormente, se habían producido pequeños lotes de metales amorfos a través de una variedad de métodos de enfriamiento rápido, como cintas de metal amorfo que se habían producido mediante pulverización catódica de metal fundido en un disco de metal giratorio ( hilado por fusión). El enfriamiento rápido (del orden de millones de grados Celsius por segundo) es demasiado rápido para que se formen cristales y el material está "bloqueado" en un estado vítreo. Actualmente, se han producido varias aleaciones con velocidades de enfriamiento críticas lo suficientemente bajas como para permitir la formación de estructuras amorfas en capas gruesas (más de 1 milímetro); estos se conocen como vidrios metálicos a granel ( BMG ). Más recientemente, se han producido lotes de acero amorfo con tres veces la resistencia de las aleaciones de acero convencionales.

Historia

El primer vidrio metálico reportado fue una aleación (Au 75 Si 25 ) producida en Caltech por W. Klement (Jr.), Willens y Duwez en 1960. [3] Esta y otras aleaciones tempranas de formación de vidrio tuvieron que enfriarse extremadamente rápido ( del orden de un mega kelvin por segundo, 10 6 K / s) para evitar la cristalización. Una consecuencia importante de esto fue que los vidrios metálicos solo se podían producir en un número limitado de formas (típicamente cintas, láminas o alambres) en las que una dimensión era pequeña para que el calor pudiera extraerse lo suficientemente rápido para lograr la velocidad de enfriamiento necesaria. Como resultado, las muestras de vidrio metálico (con algunas excepciones) se limitaron a espesores de menos de cien micrómetros .

En 1969, se descubrió que una aleación de 77,5% de paladio , 6% de cobre y 16,5% de silicio tenía una velocidad de enfriamiento crítica entre 100 y 1000 K / s.

En 1976, H. Liebermann y C. Graham desarrollaron un nuevo método para fabricar cintas delgadas de metal amorfo en una rueda de giro rápido superenfriada . [4] Esta era una aleación de hierro , níquel y boro . El material, conocido como Metglas , se comercializó a principios de la década de 1980 y se utiliza para transformadores de distribución de energía de bajas pérdidas ( transformador de metal amorfo ). Metglas-2605 está compuesto de 80% de hierro y 20% de boro, tiene una temperatura de Curie de 373 ° C y una magnetización de saturación a temperatura ambiente de 1,56 teslas . [5]

A principios de la década de 1980, se produjeron lingotes vítreos de 5 mm de diámetro a partir de la aleación de 55% de paladio, 22,5% de plomo y 22,5% de antimonio, mediante grabado superficial seguido de ciclos de calentamiento-enfriamiento. Usando fundente de óxido de boro , el espesor alcanzable se incrementó a un centímetro. [ aclaración necesaria ]

En 1982, un estudio sobre relajación estructural de metales amorfos indicó una relación entre el calor específico y la temperatura de (Fe 0.5 Ni 0.5 ) 83 P 17 . A medida que el material se calentó, las propiedades desarrollaron una relación negativa a partir de 375 K, que se debió al cambio en los estados amorfos relajados. Cuando el material fue recocido por periodos de 1 a 48 horas, las propiedades desarrollaron una relación positiva a partir de 475 K para todos los periodos de recocido, ya que la estructura inducida por recocido desaparece a esa temperatura. [6] En este estudio, las aleaciones amorfas demostraron una transición vítrea y una región líquida súper enfriada. Entre 1988 y 1992, más estudios encontraron más aleaciones de tipo vítreo con transición vítrea y una región líquida súper enfriada. A partir de esos estudios, las aleaciones de vidrio a granel se hicieron de La, Mg y Zr, y estas aleaciones demostraron plasticidad incluso cuando el grosor de su cinta se incrementó de 20 μm a 50 μm. La plasticidad fue una gran diferencia con respecto a los metales amorfos del pasado que se volvieron frágiles en esos espesores. [6] [7] [8] [9]

En 1988, se descubrió que las aleaciones de lantano, aluminio y mineral de cobre eran altamente formadoras de vidrio. Los vidrios metálicos a base de Al que contienen escandio exhibieron una resistencia mecánica a la tracción de tipo récord de aproximadamente 1500 MPa. [10]

Antes de que se encontraran nuevas técnicas en 1990, las aleaciones amorfas a granel de varios milímetros de espesor eran raras, salvo unas pocas excepciones, las aleaciones amorfas a base de Pd se habían formado en varillas con un diámetro de 2 mm por temple, [11] y esferas con un Se formaron 10 mm de diámetro mediante flujo de repetición fundiendo con B 2 O 3 y enfriando. [12]

En la década de 1990 se desarrollaron nuevas aleaciones que forman vidrios a velocidades de enfriamiento tan bajas como un kelvin por segundo. Estas velocidades de enfriamiento se pueden lograr mediante una simple colada en moldes metálicos. Estas aleaciones amorfas "a granel" pueden moldearse en piezas de hasta varios centímetros de espesor (el espesor máximo depende de la aleación) conservando una estructura amorfa. Las mejores aleaciones para la formación de vidrio se basan en circonio y paladio , pero las aleaciones a base de hierro , titanio , cobre , magnesio, y también se conocen otros metales. Muchas aleaciones amorfas se forman aprovechando un fenómeno llamado efecto de "confusión". Tales aleaciones contienen tantos elementos diferentes (a menudo cuatro o más) que al enfriarse a velocidades suficientemente rápidas, los átomos constituyentes simplemente no pueden coordinarse en el estado cristalino de equilibrio antes de que se detenga su movilidad. De esta manera, el estado desordenado aleatorio de los átomos está "bloqueado".

En 1992, la aleación amorfa comercial, Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni y 22,5% Be), se desarrolló en Caltech, como parte de la investigación del Departamento de Energía y la NASA de nuevos materiales aeroespaciales. [13]

Para el año 2000, la investigación en la Universidad de Tohoku [14] y Caltech produjo aleaciones multicomponente basadas en lantano, magnesio, circonio, paladio, hierro, cobre y titanio, con una velocidad de enfriamiento crítica entre 1 K / sa 100 K / s, comparable al óxido. lentes. [ aclaración necesaria ]

En 2004, dos grupos produjeron con éxito acero amorfo a granel: uno en el Laboratorio Nacional Oak Ridge , que se refiere a su producto como "acero vítreo", y el otro en la Universidad de Virginia , llamando al suyo "DARVA-Glass 101". [15] [16] El producto no es magnético a temperatura ambiente y es significativamente más resistente que el acero convencional, aunque queda un largo proceso de investigación y desarrollo antes de la introducción del material en uso público o militar. [17] [18]

En 2018, un equipo del SLAC National Accelerator Laboratory , el National Institute of Standards and Technology (NIST) y la Northwestern University informaron sobre el uso de inteligencia artificial para predecir y evaluar muestras de 20.000 diferentes aleaciones de vidrio metálico probables en un año. Sus métodos prometen acelerar la investigación y el tiempo de comercialización de nuevas aleaciones de metales amorfos. [19] [20]

Propiedades

El metal amorfo suele ser una aleación en lugar de un metal puro. Las aleaciones contienen átomos de tamaños significativamente diferentes, lo que conduce a un volumen libre bajo (y por lo tanto a una viscosidad de órdenes de magnitud más alta que otros metales y aleaciones) en estado fundido. La viscosidad evita que los átomos se muevan lo suficiente como para formar una red ordenada. La estructura del material también da como resultado una baja contracción durante el enfriamiento y resistencia a la deformación plástica. La ausencia de límites de grano , los puntos débiles de los materiales cristalinos, conduce a una mejor resistencia al desgaste [21] y a la corrosión . Los metales amorfos, aunque técnicamente son vidrios, también son mucho más resistentes.y menos quebradizo que los vidrios de óxido y la cerámica. Los metales amorfos se pueden agrupar en dos categorías, ya sea como no ferromagnéticos, si están compuestos de Ln, Mg, Zr, Ti, Pd, Ca, Cu, Pt y Au, o aleaciones ferromagnéticas, si están compuestos de Fe, Co y Ni. [22]

La conductividad térmica de los materiales amorfos es menor que la del metal cristalino. Como la formación de la estructura amorfa se basa en un enfriamiento rápido, esto limita el espesor máximo alcanzable de las estructuras amorfas. Para lograr la formación de una estructura amorfa incluso durante un enfriamiento más lento, la aleación debe estar hecha de tres o más componentes, lo que conduce a unidades de cristal complejas con mayor energía potencial y menor probabilidad de formación. [23] El radio atómico de los componentes tiene que ser significativamente diferente (más del 12%), para lograr una alta densidad de empaquetamiento y un bajo volumen libre. La combinación de componentes debe tener un calor de mezcla negativo, inhibiendo la nucleación de los cristales y prolongando el tiempo que el metal fundido permanece en estado superenfriado .

Las aleaciones de boro , silicio , fósforo y otros formadores de vidrio con metales magnéticos ( hierro , cobalto , níquel ) tienen alta susceptibilidad magnética , con baja coercitividad y alta resistencia eléctrica . Por lo general, la conductividad eléctrica de un vidrio metálico es del mismo orden bajo de magnitud que la de un metal fundido justo por encima del punto de fusión. La alta resistencia conduce a bajas pérdidas por corrientes parásitas cuando se somete a campos magnéticos alternos, una propiedad útil para, por ejemplo, núcleos magnéticos de transformadores. . Su baja coercitividad también contribuye a una baja pérdida.

La superconductividad de las películas delgadas de metales amorfos fue descubierta experimentalmente a principios de la década de 1950 por Buckel y Hilsch. [24] Para ciertos elementos metálicos del superconductor de temperatura crítica T c puede ser mayor en el estado amorfo (por ejemplo, en aleación) que en el estado cristalino, y en varios casos T c aumenta al aumentar el desorden estructural. Este comportamiento puede entenderse y racionalizarse considerando el efecto del desorden estructural en el acoplamiento electrón-fonón. [25]

Los metales amorfos tienen mayores límites de elasticidad a la tracción y límites de deformación elástica más altos que las aleaciones de metales policristalinos, pero sus ductilidades y resistencias a la fatiga son menores. [26] Las aleaciones amorfas tienen una variedad de propiedades potencialmente útiles. En particular, tienden a ser más fuertes que las aleaciones cristalinas de composición química similar y pueden soportar deformaciones reversibles ("elásticas") más grandes que las aleaciones cristalinas. Los metales amorfos obtienen su fuerza directamente de su estructura no cristalina, que no tiene ninguno de los defectos (como dislocaciones ) que limitan la fuerza de las aleaciones cristalinas. Un metal amorfo moderno, conocido como Vitreloy , tiene una resistencia a la tracción que es casi el doble que la del titanio de alta calidad.. Sin embargo, los vidrios metálicos a temperatura ambiente no son dúctiles y tienden a fallar repentinamente cuando se cargan en tensión , lo que limita la aplicabilidad del material en aplicaciones de confiabilidad crítica, ya que la falla inminente no es evidente. Por lo tanto, existe un interés considerable en producir compuestos de matriz metálica que consisten en una matriz de vidrio metálico que contiene partículas dendríticas o fibras de un metal cristalino dúctil.

Quizás la propiedad más útil de las aleaciones amorfas a granel es que son verdaderos vidrios, lo que significa que se ablandan y fluyen al calentarse. Esto permite un procesamiento fácil, como por moldeo por inyección , de la misma manera que los polímeros . Como resultado, se han comercializado aleaciones amorfas para su uso en equipos deportivos, [27] dispositivos médicos y como estuches para equipos electrónicos. [28]

Las películas delgadas de metales amorfos se pueden depositar mediante la técnica de combustible de oxígeno a alta velocidad como recubrimientos protectores.

Aplicaciones

Comercial

Actualmente la aplicación más importante se debe a las especiales propiedades magnéticas de algunos vidrios metálicos ferromagnéticos. La baja pérdida de magnetización se utiliza en transformadores de alta eficiencia ( transformador de metal amorfo ) a frecuencia de línea y algunos transformadores de frecuencia más alta. El acero amorfo es un material muy frágil que dificulta la perforación en las laminaciones del motor. [29] También la vigilancia electrónica de artículos (como las etiquetas de identificación pasivas de control de robo) a menudo utiliza vidrios metálicos debido a estas propiedades magnéticas.

Una aleación amorfa comercial, Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni y 22,5% Be), se desarrolló en Caltech, como parte de la investigación del Departamento de Energía y la NASA de nuevos materiales aeroespaciales. [13]

El vidrio metálico a base de Ti, cuando se convierte en tubos delgados, tiene una alta resistencia a la tracción de 2100 MPA, un alargamiento elástico del 2% y una alta resistencia a la corrosión. [30] Usando estas propiedades, se usó un vidrio metálico de Ti – Zr – Cu – Ni – Sn para mejorar la sensibilidad de un medidor de flujo Coriolis. Este medidor de flujo es aproximadamente 28-53 veces más sensible que los medidores convencionales, [31] que se pueden aplicar en la industria de los combustibles fósiles, química, ambiental, de semiconductores y de ciencias médicas.

El vidrio metálico a base de Zr-Al-Ni-Cu se puede moldear en sensores de presión de 2,2 a 5 mm por 4 mm para la industria automotriz y otras, y estos sensores son más pequeños, más sensibles y poseen una mayor resistencia a la presión en comparación con el acero inoxidable convencional fabricado con trabajo en frio. Además, esta aleación se utilizó para fabricar y vender el motorreductor más pequeño del mundo con un diámetro de 1,5 mm y 9,9 mm. [32]

Potencial

Los metales amorfos exhiben un comportamiento de ablandamiento único por encima de su transición vítrea y este ablandamiento se ha explorado cada vez más para la conformación termoplástica de vidrios metálicos. [33] Esta baja temperatura de ablandamiento permite desarrollar métodos sencillos para fabricar compuestos de nanopartículas (por ejemplo, nanotubos de carbono ) y BMG. Se ha demostrado que los vidrios metálicos se pueden modelar en escalas de longitud extremadamente pequeñas que van desde 10 nm hasta varios milímetros. [34] Esto puede resolver los problemas de la litografía por nanoimpresión.donde los costosos nanomoldes hechos de silicio se rompen fácilmente. Los nano moldes hechos de vidrios metálicos son fáciles de fabricar y más duraderos que los moldes de silicona. Las propiedades electrónicas, térmicas y mecánicas superiores de los BMG en comparación con los polímeros los convierten en una buena opción para desarrollar nanocompuestos para aplicaciones electrónicas, como dispositivos de emisión de electrones de campo . [35]

Se cree que el Ti 40 Cu 36 Pd 14 Zr 10 no es cancerígeno, es aproximadamente tres veces más fuerte que el titanio y su módulo de elasticidad casi coincide con los huesos . Tiene una alta resistencia al desgaste y no produce polvo de abrasión. La aleación no sufre contracción al solidificarse. Se puede generar una estructura de superficie que se puede unir biológicamente mediante la modificación de la superficie mediante pulsos de láser, lo que permite una mejor unión con el hueso. [36]

Mg 60 Zn 35 Ca 5 , enfriado rápidamente para lograr una estructura amorfa, está siendo investigado, en la Universidad de Lehigh, como un biomaterial para la implantación en huesos como tornillos, clavos o placas, para reparar fracturas. A diferencia del acero o el titanio tradicionales, este material se disuelve en los organismos a una velocidad de aproximadamente 1 milímetro por mes y se reemplaza con tejido óseo. Esta velocidad se puede ajustar variando el contenido de zinc. [37]

Fabricación aditiva

Un desafío al sintetizar un vidrio metálico es que las técnicas a menudo solo producen muestras muy pequeñas, debido a la necesidad de altas velocidades de enfriamiento. Se han sugerido métodos de impresión 3D como método para crear muestras a granel más grandes. La fusión selectiva por láser (SLM) es un ejemplo de un método de fabricación aditiva que se ha utilizado para fabricar vidrios metálicos a base de hierro. [38] [39] La impresión de láminas láser (LFP) es otro método en el que las láminas de los metales amorfos se apilan y sueldan entre sí, capa por capa. [40]

Modelado y teoría

Los vidrios metálicos a granel (BMG) ahora se han modelado utilizando simulaciones a escala atómica (dentro del marco de la teoría funcional de la densidad ) de una manera similar a las aleaciones de alta entropía . [41] [42] Esto ha permitido hacer predicciones sobre su comportamiento, estabilidad y muchas más propiedades. Como tal, los nuevos sistemas BMG pueden probarse y adaptarse a los sistemas; apto para un propósito específico (por ejemplo , reemplazo óseo o componente de motor de avión ) sin tanta búsqueda empírica del espacio de fase y experimentalprueba y error. Sin embargo, la identificación de qué estructuras atómicas controlan las propiedades esenciales de un vidrio metálico, después de años de investigación activa, resultó ser bastante desafiante. [43] [44]

Ver también

  • Vidrio metálico bioabsorbible
  • Sellos de vitrocerámica a metal
  • Metal liquido
  • Ciencia de los Materiales
  • Estructura de líquidos y vasos.
  • Lámina de soldadura amorfa

Referencias

  1. ^ Algunos científicos solo consideran vidrios los metales amorfos producidos por enfriamiento rápido desde un estado líquido. Los científicos de materiales suelen considerar que un vidrio es cualquier material sólido no cristalino, independientemente de cómo se produzca.
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Otras lecturas

  • Duarte, MJ; Bruna, P .; Pineda, E .; Crespo, D .; Garbarino, G .; Verbeni, R .; Zhao, K .; Wang, WH; Romero, AH; Serrano, J. (2011). " Transiciones poliamórficas en vidrios metálicos a base de Ce por radiación sincrotrón ". Physical Review B . 84 (22): 224116. doi : 10.1103 / PhysRevB.84.224116 . ISSN  1098-0121.
  • Liu, Chaoren; Pineda, Eloi; Crespo, Daniel (2015). " Relajación mecánica de vidrios metálicos: una descripción general de datos experimentales y modelos teóricos ". Metales . 5 (2): 1073–1111. doi : 10.3390 / met5021073. ISSN  2075-4701.

enlaces externos

  • Guía de diseño de Liquidmetal
  • "Vidrio metálico: una gota de material duro" en New Scientist
  • El metal similar al vidrio se desempeña mejor bajo estrés Revisión física Focus, 9 de junio de 2005
  • "Resumen de vidrios metálicos"
  • El nuevo método computacional desarrollado por el físico de la Universidad Carnegie Mellon podría acelerar el diseño y las pruebas de vidrio metálico (2004) (la base de datos de aleaciones desarrollada por Marek Mihalkovic, Michael Widom y otros)
  • Telford, Mark (marzo de 2004). "El caso del vidrio metálico a granel" . Materiales hoy . 7 (3): 36–43. doi : 10.1016 / S1369-7021 (04) 00124-5 .
  • Nueva aleación amorfa de tungsteno-tantalio-cobre desarrollada en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea [1]
  • Metales amorfos en aplicaciones de distribución de energía eléctrica
  • Imanes blandos amorfos y nanocristalinos
  • Kumar, dorado; Neibecker, Pascal; Liu, Yan Hui; Schroers, Jan (26 de febrero de 2013). "Temperatura ficticia crítica para la plasticidad en vidrios metálicos" . Comunicaciones de la naturaleza . 4 (1): 1536. Bibcode : 2013NatCo ... 4E1536K . doi : 10.1038 / ncomms2546 . PMC  3586724 . PMID  23443564 .
  • "Nuevo material de vidrio metálico creado privándolo de núcleos" . newatlas.com . Consultado el 9 de diciembre de 2017 .
  • Vidrios metálicos y esos compuestos, Materials Research Forum LLC, Millersville, PA, EE. UU., (2018), p. 336 "Vidrios metálicos y sus composites" . www.mrforum.com .
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