Płynny metal - Liquidmetal
Liquidmetal i Vitreloy to nazwy handlowe serii amorficznych stopów metali opracowanych przez zespół badawczy California Institute of Technology (Caltech) i sprzedawanych przez Liquidmetal Technologies . Stopy ciekłego metalu łączą w sobie szereg pożądanych cech materiałowych, w tym wysoką wytrzymałość na rozciąganie , doskonałą odporność na korozję , bardzo wysoki współczynnik restytucji oraz doskonałe właściwości przeciwzużyciowe, a także nadają się do formowania cieplnego w procesach podobnych do tworzyw termoplastycznych . Wbrew nazwie nie są płynne w temperaturze pokojowej.
Liquidmetal został wprowadzony do zastosowań komercyjnych w 2003 roku. Wykorzystywany jest m.in. do kijów golfowych , zegarków i pokrowców telefonów komórkowych .
Stop był końcowym wynikiem programu badawczego nad metalami amorficznymi przeprowadzonego w Caltech. Był to pierwszy z serii eksperymentalnych stopów, które mogły uzyskać strukturę amorficzną przy stosunkowo niskich szybkościach chłodzenia. Metale amorficzne wytwarzano już wcześniej, ale tylko w małych partiach, ponieważ szybkość chłodzenia musiała wynosić miliony stopni na sekundę. Na przykład druty amorficzne można wytwarzać przez hartowanie rozpryskowe strumienia stopionego metalu na wirującym dysku. Ponieważ Vitreloy pozwalał na tak niskie szybkości chłodzenia, możliwa była produkcja większych partii. Niedawno do portfolio Liquidmetal dodano szereg dodatkowych stopów. Stopy te również zachowują swoją amorficzną strukturę po wielokrotnym ponownym nagrzewaniu, co pozwala na ich stosowanie w wielu różnych tradycyjnych procesach obróbki.
Charakterystyka
Liquidmetal, stworzony przez dr Atakana Pekera, zawiera atomy o znacząco różnych rozmiarach. Tworzą gęstą mieszankę o małej wolnej objętości. W przeciwieństwie do metali krystalicznych, nie ma oczywistej temperatury topnienia, w której lepkość nagle spada. Vitreloy zachowuje się bardziej jak inne szkła , ponieważ jego lepkość spada stopniowo wraz ze wzrostem temperatury. W wysokiej temperaturze zachowuje się w sposób plastyczny, umożliwiając stosunkowo łatwą kontrolę właściwości mechanicznych podczas odlewania. Lepkość zapobiega ruchowi atomów na tyle, aby utworzyć uporządkowaną sieć, dzięki czemu materiał zachowuje swoje właściwości amorficzne nawet po uformowaniu na gorąco.
Stopy mają stosunkowo niskie temperatury mięknienia, co pozwala na odlewanie skomplikowanych kształtów bez konieczności wykańczania. Właściwości materiału bezpośrednio po odlewaniu są znacznie lepsze niż w przypadku konwencjonalnych metali; zwykle odlewane metale mają gorsze właściwości niż kute lub przerabiane plastycznie. Stopy są również plastyczne w niskich temperaturach (400°C lub 752°F dla najwcześniejszego preparatu) i mogą być formowane . Mała objętość swobodna powoduje również niski skurcz podczas chłodzenia. Z tych wszystkich powodów Liquidmetal można formować w złożone kształty przy użyciu procesów podobnych do tworzyw termoplastycznych, co sprawia, że Liquidmetal jest potencjalnym zamiennikiem dla wielu zastosowań, w których normalnie używa się tworzyw sztucznych.
Ze względu na swoją niekrystaliczną ( amorficzną ) strukturę, ciekłe metale są twardsze niż stopy tytanu czy aluminium o podobnym składzie. Stopy Liquidmetal na bazie cyrkonu i tytanu osiągnęły granicę plastyczności ponad 1723 MPa, prawie dwukrotnie wyższą od konwencjonalnych krystalicznych stopów tytanu (Ti6Al4V wynosi ~830 MPa), a także mniej więcej wytrzymałość stali o wysokiej wytrzymałości i niektórych wysoce inżynierskich materiałów kompozytowych (patrz wytrzymałość na rozciąganie dla listy popularnych materiałów). Jednak wczesne metody odlewania wprowadziły mikroskopijne skazy, które były doskonałym miejscem do rozprzestrzeniania się pęknięć, co spowodowało, że Vitreloy był kruchy jak szkło. Choć silne, te wczesne partie łatwo się roztrzaskały po uderzeniu. Nowsze metody odlewania, korekty mieszanek stopowych i inne zmiany poprawiły to.
Brak granic ziaren przyczynia się do wykazywanej wysokiej granicy plastyczności (a tym samym sprężystości). Podczas demonstracji metalowa kula upuszczona na stal amorficzną odbijała się znacznie dłużej niż ta sama metalowa kula upuszczona na stal krystaliczną.
Brak granic ziaren w szkle metalicznym eliminuje korozję granic ziaren – powszechny problem w stopach o wysokiej wytrzymałości wytwarzanych przez utwardzanie wydzieleniowe i uczulane stale nierdzewne. Stopy metali ciekłych są zatem ogólnie bardziej odporne na korozję, zarówno ze względu na strukturę mechaniczną, jak i elementy użyte w ich stopie. Połączenie twardości mechanicznej, wysokiej elastyczności i odporności na korozję sprawia, że Liquidmetal jest odporny na zużycie.
Chociaż w wysokich temperaturach odkształcenie plastyczne występuje łatwo, prawie żadne nie występuje w temperaturze pokojowej przed wystąpieniem katastrofalnej awarii . Ogranicza to przydatność materiału w zastosowaniach krytycznych dla niezawodności, ponieważ zbliżająca się awaria nie jest oczywista. Materiał jest również podatny na zmęczenie metalu wraz z rozwojem pęknięć. Dwufazowa struktura kompozytowa z osnową amorficzną i plastycznym dendrytycznym wzmocnieniem w fazie krystalicznej lub kompozyt z osnową metaliczną wzmocniony włóknami z innego materiału może zmniejszyć lub wyeliminować tę wadę.
Zastosowania
Liquidmetal łączy w sobie szereg cech, które normalnie nie występują w żadnym jednym materiale. Dzięki temu są przydatne w wielu różnych zastosowaniach.
Jednym z pierwszych komercyjnych zastosowań Liquidmetalu były kije golfowe wyprodukowane przez firmę, gdzie bardzo elastyczny metal został użyty w częściach lica kija. Zostały one wysoko ocenione przez użytkowników, ale produkt został później porzucony, częściowo dlatego, że prototypy rozbiły się po mniej niż 40 trafieniach. Od tego czasu Liquidmetal pojawił się w innym sprzęcie sportowym, m.in. rdzeniach piłek golfowych , nart , kijach do baseballu i softballu oraz rakietach tenisowych .
Możliwość odlewania i formowania w połączeniu z wysoką odpornością na zużycie doprowadziła również do tego, że w niektórych zastosowaniach Liquidmetal jest używany jako zamiennik tworzyw sztucznych . Był on używany w obudowach najnowszych modeli dysków flash USB SanDisk „Cruzer Titanium” , a także w ich linii odtwarzaczy MP3 Sansa opartych na pamięci flash oraz obudowach niektórych telefonów komórkowych , takich jak luksusowe produkty Vertu i inne wzmocnione urządzenia elektroniki użytkowej. . W laserze dentystycznym Biolase Ilase oraz w skanerze kodów kreskowych Socketmobile użyto ciekłego metalu. Liquidmetal był również używany do tworzenia narzędzia do wyjmowania karty SIM w niektórych iPhone'ach 3G produkowanych przez Apple Inc. , dostarczanych w USA. Zostało to zrobione przez Apple jako ćwiczenie mające na celu przetestowanie opłacalności użycia metalu. Zachowują powierzchnię wolną od zarysowań dłużej niż konkurencyjne materiały, a jednocześnie są wykonane w skomplikowanych kształtach. Te same właściwości sprawiają, że może być stosowany jako powłoki ochronne do maszyn przemysłowych, w tym rur wiertniczych do ropy naftowej i rur kotłowych elektrowni .
Zastępuje również tytan w zastosowaniach od instrumentów medycznych i samochodów po przemysł wojskowy i lotniczy. W zastosowaniach wojskowych pręty z metali amorficznych zastępują zubożony uran w penetratorach energii kinetycznej . Płyty z ciekłego metalu zostały użyte w układzie kolektorów jonów wiatru słonecznego w sondzie kosmicznej Genesis .
Stopy komercyjne
Pod tą nazwą handlową wprowadzono do obrotu szereg stopów na bazie cyrkonu . Niektóre przykładowe kompozycje są wymienione poniżej w procentach molowych:
- Wczesny stop, Vitreloy 1 :
- Wariant, Vitreloy 4 ( Vit4 ):
- Vitreloy 105 ( Vit105 ):
- Nowszy rozwój ( Vitreloy 106a ), który tworzy szkło przy wolniejszym chłodzeniu:
Licencjonowane zastosowania
- Apple Inc. uzyskała wieczystą wyłączną licencję na używanie swojej technologii w elektronice użytkowej.
- Grupa Swatch otrzymała wyłączną licencję na wykorzystanie Liquidmetal w swoich zegarkach.