Metal amorfo - Amorphous metal

Amostras de metal amorfo, com escala milimétrica

Um metal amorfo (também conhecido como vidro metálico ou metal vítreo ) é um material metálico sólido , geralmente uma liga , com estrutura em escala atômica desordenada. A maioria dos metais é cristalina em seu estado sólido, o que significa que eles têm um arranjo de átomos altamente ordenado . Os metais amorfos não são cristalinos e têm uma estrutura semelhante a vidro . Mas, ao contrário dos vidros comuns, como vidros de janela, que são tipicamente isolantes elétricos , os metais amorfos têm boa condutividade elétrica e também exibem supercondutividade em baixas temperaturas.

Existem várias maneiras pelas quais os metais amorfos podem ser produzidos, incluindo resfriamento extremamente rápido , deposição física de vapor , reação de estado sólido , irradiação iônica e liga mecânica . Anteriormente, pequenos lotes de metais amorfos eram produzidos por meio de uma variedade de métodos de resfriamento rápido, como fitas de metal amorfo que eram produzidas pela pulverização de metal fundido em um disco de metal giratório ( fiação por fusão ). O resfriamento rápido (na ordem de milhões de graus Celsius por segundo) é muito rápido para que os cristais se formem e o material é "travado" em um estado vítreo. Atualmente, uma série de ligas com taxas de resfriamento críticas baixas o suficiente para permitir a formação de estrutura amorfa em camadas espessas (acima de 1 milímetro) foram produzidas; estes são conhecidos como vidros metálicos em massa ( BMG ). Mais recentemente, foram produzidos lotes de aço amorfo com três vezes a resistência das ligas de aço convencionais.

História

O primeiro vidro metálico relatado foi uma liga (Au 75 Si 25 ) produzida em Caltech por W. Klement (Jr.), Willens e Duwez em 1960. Esta e outras ligas formadoras de vidro iniciais tiveram que ser resfriadas extremamente rapidamente (no pedido de um mega kelvin por segundo, 10 6  K / s) para evitar a cristalização. Uma consequência importante disso era que os vidros metálicos só podiam ser produzidos em um número limitado de formas (normalmente fitas, folhas ou fios) em que uma dimensão era pequena para que o calor pudesse ser extraído com rapidez suficiente para atingir a taxa de resfriamento necessária. Como resultado, as amostras de vidro metálico (com algumas exceções) foram limitadas a espessuras de menos de cem micrômetros .

Em 1969, descobriu-se que uma liga de 77,5% de paládio , 6% de cobre e 16,5% de silício tinha uma taxa de resfriamento crítica entre 100 e 1000 K / s.

Em 1976, H. Liebermann e C. Graham desenvolveram um novo método de fabricação de fitas finas de metal amorfo em uma roda giratória super-resfriada . Era uma liga de ferro , níquel e boro . O material, conhecido como Metglas , foi comercializado no início dos anos 1980 e é usado para transformadores de distribuição de energia de baixa perda ( transformador de metal amorfo ). Metglas-2605 é composto por 80% de ferro e 20% de boro, possui temperatura de Curie de 373 ° C e magnetização de saturação em temperatura ambiente de 1,56 teslas .

No início dos anos 1980, lingotes vítreos com 5 mm de diâmetro eram produzidos a partir da liga de 55% de paládio, 22,5% de chumbo e 22,5% de antimônio, por ataque superficial seguido de ciclos de aquecimento-resfriamento. Usando o fluxo de óxido de boro , a espessura alcançável foi aumentada para um centímetro.

Em 1982, um estudo sobre relaxamento estrutural de metal amorfo indicou uma relação entre o calor específico e a temperatura de (Fe 0,5 Ni 0,5 ) 83 P 17 . À medida que o material foi aquecido, as propriedades desenvolveram uma relação negativa a partir de 375 K, que foi devido à mudança nos estados amorfos relaxados. Quando o material foi recozido por períodos de 1 a 48 horas, as propriedades desenvolveram uma relação positiva a partir de 475 K para todos os períodos de recozimento, uma vez que a estrutura induzida pelo recozimento desaparece nessa temperatura. Neste estudo, ligas amorfas demonstraram transição vítrea e uma região de líquido super-resfriado. Entre 1988 e 1992, mais estudos encontraram mais ligas do tipo vidro com transição vítrea e uma região de líquido super-resfriado. A partir desses estudos, ligas de vidro a granel foram feitas de La, Mg e Zr, e essas ligas demonstraram plasticidade mesmo quando sua espessura de fita foi aumentada de 20 μm para 50 μm. A plasticidade era uma grande diferença em relação aos metais amorfos do passado, que se tornavam frágeis nessas espessuras.

Em 1988, ligas de lantânio, alumínio e minério de cobre foram consideradas altamente vítreas. Os vidros metálicos à base de Al contendo escândio exibiram uma resistência mecânica à tração do tipo recorde de cerca de 1500 MPa.

Antes de novas técnicas serem descobertas em 1990, ligas amorfas em massa de vários milímetros de espessura eram raras, exceto por algumas exceções, ligas amorfas à base de Pd foram formadas em hastes com diâmetro de 2 mm por têmpera e esferas com diâmetro de 10 mm foram formados por fusão de fluxo de repetição com B 2 O 3 e têmpera.

Na década de 1990, novas ligas foram desenvolvidas para formar vidros com taxas de resfriamento tão baixas quanto um kelvin por segundo. Essas taxas de resfriamento podem ser obtidas por simples fundição em moldes metálicos. Essas ligas amorfas "volumosas" podem ser fundidas em partes de até vários centímetros de espessura (a espessura máxima dependendo da liga) enquanto retêm uma estrutura amorfa. As melhores ligas formadoras de vidro são baseadas em zircônio e paládio , mas ligas baseadas em ferro , titânio , cobre , magnésio e outros metais também são conhecidas. Muitas ligas amorfas são formadas explorando um fenômeno denominado efeito de "confusão". Essas ligas contêm tantos elementos diferentes (geralmente quatro ou mais) que, ao resfriar a taxas suficientemente rápidas, os átomos constituintes simplesmente não conseguem se coordenar no estado cristalino de equilíbrio antes que sua mobilidade seja interrompida. Desta forma, o estado desordenado aleatório dos átomos é "bloqueado".

Em 1992, a liga comercial amorfa, Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni e 22,5% Be), foi desenvolvida na Caltech, como parte do Departamento de Energia e pesquisas da NASA de novos materiais aeroespaciais.

Em 2000, pesquisas na Tohoku University e Caltech produziram ligas multicomponentes baseadas em lantânio, magnésio, zircônio, paládio, ferro, cobre e titânio, com taxa de resfriamento crítica entre 1 K / sa 100 K / s, comparável aos vidros de óxido.

Em 2004, o aço amorfo a granel foi produzido com sucesso por dois grupos: um no Oak Ridge National Laboratory , que se refere ao seu produto como "aço vítreo", e o outro na Universidade da Virgínia , chamando-o de "DARVA-Glass 101". O produto não é magnético à temperatura ambiente e é significativamente mais forte do que o aço convencional, embora ainda haja um longo processo de pesquisa e desenvolvimento antes da introdução do material no uso público ou militar.

Em 2018, uma equipe do SLAC National Accelerator Laboratory , do National Institute of Standards and Technology (NIST) e da Northwestern University relatou o uso de inteligência artificial para prever e avaliar amostras de 20.000 diferentes ligas de vidro metálico prováveis ​​em um ano. Seus métodos prometem acelerar a pesquisa e o tempo de comercialização de novas ligas de metais amorfos.

Propriedades

O metal amorfo é geralmente uma liga em vez de um metal puro. As ligas contêm átomos de tamanhos significativamente diferentes, levando a baixo volume livre (e, portanto, até ordens de magnitude mais alta viscosidade do que outros metais e ligas) no estado fundido. A viscosidade impede que os átomos se movam o suficiente para formar uma rede ordenada. A estrutura do material também resulta em baixo encolhimento durante o resfriamento e resistência à deformação plástica. A ausência de contornos de grão , os pontos fracos dos materiais cristalinos, leva a uma melhor resistência ao desgaste e à corrosão . Metais amorfos, embora tecnicamente vidros, também são muito mais resistentes e menos quebradiços do que vidros óxidos e cerâmicas. Os metais amorfos podem ser agrupados em duas categorias, como não ferromagnéticos, se forem compostos de Ln, Mg, Zr, Ti, Pd, Ca, Cu, Pt e Au, ou ligas ferromagnéticas, se forem compostos por Fe, Co e Ni.

A condutividade térmica dos materiais amorfos é menor do que a do metal cristalino. Como a formação da estrutura amorfa depende do resfriamento rápido, isso limita a espessura máxima alcançável das estruturas amorfas. Para conseguir a formação da estrutura amorfa mesmo durante o resfriamento mais lento, a liga deve ser feita de três ou mais componentes, levando a unidades de cristal complexas com maior energia potencial e menor chance de formação. O raio atômico dos componentes deve ser significativamente diferente (mais de 12%), para atingir alta densidade de empacotamento e baixo volume livre. A combinação de componentes deve ter calor negativo de mistura, inibindo a nucleação do cristal e prolongando o tempo em que o metal fundido permanece no estado super - resfriado .

À medida que as temperaturas mudam, a resistividade elétrica dos metais amorfos se comporta de maneira muito diferente da dos metais normais. Enquanto a resistividade em metais regulares geralmente aumenta com a temperatura, seguindo a regra de Matthiessen , a resistividade em um grande número de metais amorfos diminui com o aumento da temperatura. Este efeito pode ser observado em metais amorfos de alta resistividades entre 150 μΩcm a 300 μΩcm. Nestes metais, os eventos de espalhamento que causam a resistividade do metal não podem mais ser considerados estatisticamente independentes, explicando assim a quebra da regra de Matthiessen. O fato de que a mudança térmica da resistividade em metais amorfos pode ser negativa em uma grande faixa de temperaturas e correlacionada com seus valores de resistividade absoluta foi observado pela primeira vez por Mooij em 1973, cunhando assim o termo "regra de Mooij".

As ligas de boro , silício , fósforo e outros formadores de vidro com metais magnéticos ( ferro , cobalto , níquel ) apresentam alta suscetibilidade magnética , com baixa coercividade e alta resistência elétrica . Normalmente, a condutividade elétrica de um vidro metálico é da mesma ordem de magnitude baixa de um metal fundido logo acima do ponto de fusão. A alta resistência leva a baixas perdas por correntes parasitas quando sujeito a campos magnéticos alternados, uma propriedade útil para, por exemplo, núcleos magnéticos de transformadores . Sua baixa coercividade também contribui para baixas perdas.

A supercondutividade de filmes finos de metal amorfo foi descoberta experimentalmente no início dos anos 1950 por Buckel e Hilsch. Para certos elementos metálicos, a temperatura crítica supercondutora T c pode ser mais alta no estado amorfo (por exemplo, na liga) do que no estado cristalino e, em vários casos, T c aumenta com o aumento da desordem estrutural. Esse comportamento pode ser compreendido e racionalizado considerando o efeito do distúrbio estrutural no acoplamento elétron-fônon.

Metais amorfos têm maior resistência à tração e maiores limites de deformação elástica do que ligas de metal policristalino, mas sua ductilidade e resistência à fadiga são mais baixas. As ligas amorfas têm uma variedade de propriedades potencialmente úteis. Em particular, eles tendem a ser mais fortes do que ligas cristalinas de composição química semelhante e podem suportar maiores deformações reversíveis ("elásticas") do que ligas cristalinas. Os metais amorfos derivam sua resistência diretamente de sua estrutura não cristalina, que não apresenta nenhum dos defeitos (como deslocamentos ) que limitam a resistência das ligas cristalinas. Um metal amorfo moderno, conhecido como Vitreloy , tem uma resistência à tração que é quase o dobro do titânio de alto grau . No entanto, vidros metálicos em temperatura ambiente não são dúcteis e tendem a falhar repentinamente quando carregados em tensão , o que limita a aplicabilidade do material em aplicações críticas de confiabilidade, visto que a falha iminente não é evidente. Portanto, há um interesse considerável na produção de compósitos de matriz de metal consistindo de uma matriz de vidro metálica contendo partículas dendríticas ou fibras de um metal cristalino dúctil.

Talvez a propriedade mais útil das ligas amorfas em massa é que são verdadeiros vidros, o que significa que amolecem e fluem com o aquecimento. Isso permite um processamento fácil, como por moldagem por injeção , da mesma forma que os polímeros . Como resultado, ligas amorfas têm sido comercializadas para uso em equipamentos esportivos, dispositivos médicos e como estojos para equipamentos eletrônicos.

Filmes finos de metais amorfos podem ser depositados por meio da técnica de oxigênio combustível de alta velocidade como revestimentos protetores.

Formulários

Comercial

Atualmente, a aplicação mais importante se deve às propriedades magnéticas especiais de alguns vidros metálicos ferromagnéticos. A baixa perda de magnetização é usada em transformadores de alta eficiência ( transformador de metal amorfo ) na frequência de linha e em alguns transformadores de frequência mais alta. O aço amorfo é um material muito frágil, o que torna difícil a punção em laminações de motor. Além disso, a vigilância eletrônica de artigos (como etiquetas de identificação passivas de controle de roubo) costuma usar vidros metálicos por causa dessas propriedades magnéticas.

Uma liga comercial amorfa, Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni e 22,5% Be), foi desenvolvida na Caltech, como parte do Departamento de Energia e pesquisa da NASA de novos materiais aeroespaciais.

O vidro metálico à base de Ti, quando feito em tubos finos, tem uma alta resistência à tração de 2100 MPA, alongamento elástico de 2% e alta resistência à corrosão. Usando essas propriedades, um vidro metálico Ti-Zr-Cu-Ni-Sn foi usado para melhorar a sensibilidade de um medidor de fluxo Coriolis. Este medidor de vazão é cerca de 28-53 vezes mais sensível do que os medidores convencionais, que podem ser aplicados na indústria de combustíveis fósseis, química, ambiental, de semicondutores e ciência médica.

O vidro metálico à base de Zr-Al-Ni-Cu pode ser moldado em sensores de pressão de 2,2-5 mm por 4 mm para automóveis e outras indústrias, e esses sensores são menores, mais sensíveis e possuem maior resistência à pressão em comparação com o aço inoxidável convencional feito de trabalho a frio. Além disso, essa liga foi usada para fazer o menor motoredutor do mundo com diâmetro de 1,5 mm e 9,9 mm a ser produzido e vendido na época.

Potencial

Os metais amorfos exibem um comportamento de amolecimento único acima de sua transição vítrea e esse amolecimento tem sido cada vez mais explorado para a formação de termoplásticos de vidros metálicos. Essa baixa temperatura de amolecimento permite o desenvolvimento de métodos simples para fazer compostos de nanopartículas (por exemplo, nanotubos de carbono ) e BMGs. Foi demonstrado que os vidros metálicos podem ser padronizados em escalas de comprimento extremamente pequenas, variando de 10 nm a vários milímetros. Isso pode resolver os problemas da litografia de nanoimpressão, onde nano-moldes caros feitos de silício se quebram facilmente. Nano-moldes feitos de vidros metálicos são fáceis de fabricar e mais duráveis ​​do que os moldes de silicone. As propriedades eletrônicas, térmicas e mecânicas superiores dos BMGs em comparação aos polímeros os tornam uma boa opção para o desenvolvimento de nanocompósitos para aplicação eletrônica, como dispositivos de emissão de elétrons de campo .

Acredita-se que o Ti 40 Cu 36 Pd 14 Zr 10 não seja cancerígeno, é cerca de três vezes mais forte que o titânio e seu módulo de elasticidade quase se equipara aos ossos . Possui alta resistência ao desgaste e não produz pó de abrasão. A liga não sofre retração na solidificação. Uma estrutura de superfície pode ser gerada que é biologicamente conectável por modificação de superfície usando pulsos de laser, permitindo uma melhor união com o osso.

O Mg 60 Zn 35 Ca 5 , resfriado rapidamente para obter estrutura amorfa, está sendo investigado, na Lehigh University, como um biomaterial para implantação em ossos como parafusos, pinos ou placas, para corrigir fraturas. Ao contrário do aço ou titânio tradicional, este material se dissolve nos organismos a uma taxa de aproximadamente 1 milímetro por mês e é substituído por tecido ósseo. Essa velocidade pode ser ajustada variando o conteúdo de zinco.

Fabricação de aditivos

Um desafio ao sintetizar um vidro metálico é que as técnicas geralmente produzem apenas amostras muito pequenas, devido à necessidade de altas taxas de resfriamento. Métodos de impressão 3D têm sido sugeridos como um método para criar amostras em massa maiores. O derretimento seletivo a laser (SLM) é um exemplo de método de manufatura aditiva que tem sido usado para fazer vidros metálicos à base de ferro. A impressão a laser (LFP) é outro método em que as folhas dos metais amorfos são empilhadas e soldadas, camada por camada.

Modelagem e teoria

Os vidros metálicos a granel (BMGs) foram agora modelados usando simulações em escala atômica (dentro da estrutura da teoria funcional da densidade ) de maneira semelhante às ligas de alta entropia . Isso permitiu que previsões fossem feitas sobre seu comportamento, estabilidade e muitas outras propriedades. Como tal, os novos sistemas BMG podem ser testados e ajustados para um propósito específico (por exemplo, substituição óssea ou componente do motor aero motor ) sem muita pesquisa empírica do espaço de fase ou tentativa e erro experimental . No entanto, a identificação de quais estruturas atômicas controlam as propriedades essenciais de um vidro metálico, apesar de anos de pesquisas ativas, revelou-se bastante desafiadora.

Uma maneira comum de tentar compreender as propriedades eletrônicas de metais amorfos é compará-los com metais líquidos, que são desordenados de forma semelhante e para os quais existem estruturas teóricas estabelecidas. Para metais amorfos simples, boas estimativas podem ser alcançadas por modelagem semiclássica do movimento de elétrons individuais usando a equação de Boltzmann e aproximando o potencial de espalhamento como a superposição do potencial eletrônico de cada núcleo no metal circundante. Para simplificar os cálculos, os potenciais eletrônicos dos núcleos atômicos podem ser truncados para dar um pseudopotencial muffin-tin. Nessa teoria, existem dois efeitos principais que governam a mudança de resistividade com o aumento das temperaturas. Ambos se baseiam na indução de vibrações dos núcleos atômicos do metal com o aumento da temperatura. Uma é que a estrutura atômica fica cada vez mais manchada à medida que as posições exatas dos núcleos atômicos ficam cada vez menos definidas. O outro é a introdução dos fônons. Enquanto a mancha geralmente diminui a resistividade do metal, a introdução de fônons geralmente adiciona locais de dispersão e, portanto, aumenta a resistividade. Juntos, eles podem explicar a diminuição anômala da resistividade em metais amorfos, já que a primeira parte supera a segunda. Em contraste com os metais cristalinos regulares, a contribuição do fônon em um metal amorfo não se congela em baixas temperaturas. Devido à falta de uma estrutura cristalina definida, sempre há alguns comprimentos de onda de fônons que podem ser excitados. Embora essa abordagem semiclássica seja válida para muitos metais amorfos, ela geralmente se desfaz em condições mais extremas. Em temperaturas muito baixas, a natureza quântica dos elétrons leva a efeitos de interferência de longo alcance dos elétrons uns com os outros no que é chamado de "efeitos de localização fraca". Em metais fortemente desordenados, as impurezas na estrutura atômica podem induzir estados eletrônicos ligados no que é chamado de " localização de Anderson ", efetivamente ligando os elétrons e inibindo seu movimento.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos