Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Metalle, die wie Kunststoffe geformt werden können

Im atomaren Maßstab sind Feststoffe im Allgemeinen entweder kristallin oder amorph. In Kristallen füllen die Atome oder Moleküle den Raum in einer sich wiederholenden, geordneten Anordnung, wie gestapelte Kanonenkugeln oder Zellen in einer Wabe. Kochsalz ist ein praktisches Beispiel. In amorphen Materialien werden die Atome oder Moleküle jedoch zufällig zusammengepackt, ohne dass Anordnungen wiederholt werden. Glas ist das häufigste Beispiel, und in der Tat werden „amorph“ und „glasig“ häufig als Synonyme verwendet.

Viele Feststoffe können entweder im kristallinen oder im glasartigen Zustand vorliegen. Wenn ein geschmolzenes Material schnell eingefroren wird, haben die Atome oder Moleküle weniger Zeit, um sich in einer geordneten Anordnung zu befinden, bevor sie keine Energie mehr haben, und müssen dort einfrieren, wo sie sind. Der resultierende Feststoff ist eher glasartig. Wenn sie langsam eingefroren werden, können die Atome oder Moleküle ihre „richtigen“ Stellen finden und sich in einer regelmäßigen Struktur ansiedeln. Der resultierende Feststoff ist eher kristallin.

Die Eigenschaften von Metallen werden im Allgemeinen durch verschiedene Wärmebehandlungen auf diese Weise beeinflusst. Bei der mikroskopischen Untersuchung sind Metalle körnig und jedes Korn ist ein Volumen, in dem die Atome in einer hochgeordneten Kristallstruktur angeordnet sind. Im Allgemeinen gilt: Je schneller das Metall abgekühlt wird, desto kleiner sind die kristallinen Körner, und natürlich stellt sich die Frage: Kann man geschmolzenes Metall schnell genug einfrieren, so dass sich keine Kristallkörner bilden? Das resultierende Stück Metall wäre vollständig glasartig mit einer im Wesentlichen statistischen Packung seiner Atome.

Es stellt sich heraus, dass dies sehr schwer ist. Bei reinen Metallen ist es fast unmöglich: Alle Atome haben die gleiche Größe und lassen sich leicht zusammenpacken, und es gibt keinen praktischen Weg, um Wärme aus einer geschmolzenen Probe schnell genug zu bewegen, um zu verhindern, dass sie in ihre geordnete Kristallanordnung fallen Billardkugeln in einem Dreieck. Wenn Sie jedoch erst einmal Metalle zu Legierungen gemischt haben, haben Sie es mit Atomen zu tun, die nicht alle die gleiche Größe haben, und es empfiehlt sich eine Strategie: Wählen Sie eine Mischung aus Atomen mit einer Größenverteilung, die sich nicht ordentlich im Raum befindet.

Erst 1960 wurden in einem Labor tatsächlich glasige Metalle aus einer Legierung hergestellt, die aus drei Atomen Silber für jedes Atom Silizium bestand. Um die Proben schnell genug abzukühlen, waren aufwendige Mittel erforderlich, und sie mussten klein und dünn sein - Drähte, Bänder oder Folien mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometern. Das Konzept wurde jedoch bewiesen, und das Ziel für die Forscher bestand darin, die "kritische Abkühlgeschwindigkeit" so weit zu senken, dass glasige Metallobjekte ohne kostspielige Kühlmethoden in größeren Abmessungen hergestellt werden können.

In den 1990er Jahren haben Forscher bei CalTech dafür gesorgt, dass es funktioniert. Die erste kommerzielle amorphe Metalllegierung wurde 2003 von der CalTech-Ausgliederung Liquidmetal Technologies auf den Markt gebracht. Vitreloy 1 heißt hier etwa 40% Zirkonium, 20% Berylium und jeweils 10% Titan, Kupfer und Nickel.

Vitreloy 1 und seine Nachfolger weisen eine Reihe außergewöhnlicher Eigenschaften auf. Sie sind fest, hart und (im Gegensatz zu kristallinen Metallen) schrumpfen sie beim Gefrieren nicht merklich und können daher nach den gleichen wirtschaftlichen Verfahren wie Kunststoffe spritzgegossen, blasgeformt und anderweitig geformt werden. Beim Entwurf von Werkzeugen für amorphe Metalle muss die kritische Abkühlgeschwindigkeit des Materials beachtet werden. Wenn ein Teil des Teils zu langsam abkühlt, wird die Legierung dort kristallisieren, schrumpfen und verderben.

Heute finden sich die amorphen Legierungen von Liquidmetal in Sportgeräten, militärischer Hardware und Unterhaltungselektronik. Teile davon sind in iPhones und andere Handys eingegangen. Wenn Sie ein Stück kaufen möchten, ist es am besten, eines der Cruzer Titanium-USB-Laufwerke von SanDisk zu verwenden, die aus dem Material hergestellt werden. Einige Head Tennisschläger und Rawlings Baseballschläger enthalten auch amorphe Legierungsteile. Leider stellt Liquidmetal Technologies keine Proben zur Verfügung, es sei denn, es handelt sich um einen ausgehandelten Verkauf, zu Test- und Bewertungszwecken im Rahmen einer Geheimhaltungsvereinbarung. Sie haben eine Reihe von Patenten erworben, die jedoch mit interessanten technischen Details überraschen. US 7017645 ist besonders aufschlussreich für die Verfahren zum Entwerfen von Formen für amorphe Legierungen, und das ursprüngliche Patent von Vitreloy (US5288344), das 2013 ausläuft, enthält acht Formulierungen für Legierungen, die sich als in einer 5 mm dicken Schicht amorph gezeigt haben. ”

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