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metal amorfo

Muestras de metal amorfo, con escala milimétrica.

Un metal amorfo (también conocido como vidrio metálico , metal vítreo o metal brillante ) es un material metálico sólido , generalmente una aleación , con estructura desordenada a escala atómica. 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 de ventanas, que suelen ser aislantes eléctricos , los metales amorfos tienen buena conductividad eléctrica y pueden mostrar brillo metálico.

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 producían pequeños lotes de metales amorfos mediante una variedad de métodos de enfriamiento rápido, como cintas de metal amorfo que se producían pulverizando metal fundido sobre un disco de metal giratorio ( hilado por fusión ). El rápido enfriamiento (del orden de millones de grados Celsius por segundo) es demasiado rápido para que se formen cristales y el material queda "bloqueado" en un estado vítreo. [3] Actualmente, se han producido varias aleaciones con velocidades de enfriamiento críticas lo suficientemente bajas como para permitir la formación de una estructura amorfa en capas gruesas (más de 1 milímetro o 0,039 pulgadas); estos se conocen como vasos metálicos a granel. Más recientemente, se han producido lotes de acero amorfo con una resistencia tres veces mayor que las aleaciones de acero convencionales. Nuevas técnicas como la impresión 3D , caracterizadas también por sus altas velocidades de enfriamiento, son un tema de investigación activo para la fabricación de vidrios metálicos a granel. [4]

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. [5] Esta y otras aleaciones tempranas formadoras de vidrio tuvieron que enfriarse extremadamente rápido ( del orden de un megakelvin por segundo, 10 6  K/s) para evitar la cristalización. Una consecuencia importante de esto fue que los vidrios metálicos sólo podían producirse en un número limitado de formas (normalmente cintas, láminas o alambres) en las que una dimensión era pequeña para que el calor pudiera extraerse con la suficiente rapidez para alcanzar la velocidad de enfriamiento necesaria. Como resultado, las muestras de vidrio metálico (con algunas excepciones) se limitaron a espesores inferiores a 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 superenfriada que gira rápidamente . [6] Esta era una aleación de hierro , níquel y boro . El material, conocido como Metglas , se comercializó a principios de los años 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 646 K (373 °C; 703 °F) y una magnetización de saturación a temperatura ambiente de 1,56 teslas . [7]

A principios de la década de 1980, se produjeron lingotes vítreos con un diámetro de 5 mm (0,20 pulgadas) a partir de una aleación de 55% paladio, 22,5% plomo y 22,5% antimonio, mediante grabado superficial seguido de ciclos de calentamiento-enfriamiento. Utilizando fundente de óxido de boro se aumentó el espesor alcanzable hasta un centímetro. [ se necesita aclaración ]

En 1982, un estudio sobre la relajación estructural de metales amorfos indicó una relación entre el calor específico y la temperatura del (Fe 0,5 Ni 0,5 ) 83 P 17 . A medida que el material se calentaba, las propiedades desarrollaron una relación negativa a partir de 375 K, lo que se debió al cambio en los estados amorfos relajados. Cuando el material fue recocido por períodos de 1 a 48 horas, las propiedades desarrollaron una relación positiva a partir de 475 K para todos los períodos de recocido, ya que la estructura inducida por el recocido desaparece a esa temperatura. [8] 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 vidrio con transición vítrea y una región líquida súper enfriada. A partir de esos estudios, se obtuvieron aleaciones de vidrio a granel de La, Mg y Zr, y estas aleaciones demostraron plasticidad incluso cuando el espesor de la cinta aumentó de 20 μm a 50 μm. La plasticidad era una marcada diferencia con respecto a los metales amorfos del pasado que se volvían quebradizos con esos espesores. [8] [9] [10] [11]

En 1988, se descubrió que las aleaciones de minerales de lantano, aluminio y cobre eran altamente formadoras de vidrio. Los vidrios metálicos a base de Al que contienen escandio exhibieron una resistencia mecánica a la tracción récord de aproximadamente 1.500 MPa (220 ksi). [12]

Antes de que se encontraran nuevas técnicas en 1990, las aleaciones amorfas en masa de varios milímetros de espesor eran raras; excepto con algunas excepciones, las aleaciones amorfas a base de Pd se habían formado en varillas con un diámetro de 2 mm (0,079 pulgadas) mediante temple, [13] y se formaron esferas con un diámetro de 10 mm (0,39 pulgadas) mediante fusión de flujo repetitivo con B 2 O 3 y enfriamiento rápido. [14]

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 fundición en moldes metálicos. Estas aleaciones amorfas "a granel" se pueden fundir en piezas de hasta varios centímetros de espesor (el espesor máximo depende de la aleación) conservando al mismo tiempo una estructura amorfa. Las mejores aleaciones para formar vidrio se basan en circonio y paladio , pero también se conocen aleaciones a base de hierro , titanio , cobre , magnesio y otros metales. Muchas aleaciones amorfas se forman aprovechando un fenómeno llamado efecto de "confusión". Estas aleaciones contienen tantos elementos diferentes (a menudo cuatro o más) que, al enfriarse a velocidades suficientemente rápidas, los átomos constituyentes simplemente no pueden coordinarse hasta alcanzar el estado cristalino de equilibrio antes de que se detenga su movilidad. De esta manera se "bloquea" el estado desordenado aleatorio de los átomos.

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 de nuevas tecnologías del Departamento de Energía y la NASA. materiales aeroespaciales. [15]

En el año 2000, una investigación en la Universidad de Tohoku [16] y Caltech produjo aleaciones multicomponente basadas en lantano, magnesio, circonio, paladio, hierro, cobre y titanio, con una velocidad de enfriamiento crítica entre 1 K/s y 100 K/s, comparable a la del óxido. anteojos. [ se necesita aclaración ]

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". [17] [18] El producto no es magnético a temperatura ambiente y es significativamente más fuerte que el acero convencional, aunque queda un largo proceso de investigación y desarrollo antes de la introducción del material en uso público o militar. [19] [20]

En 2018, un equipo del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC , el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad Northwestern 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. [21] [22]

Propiedades

El metal amorfo suele ser una aleación más que 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 hasta órdenes de magnitud mayor que otros metales y aleaciones) en estado fundido. La viscosidad impide 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 [23] y a la corrosión . Los metales amorfos, aunque técnicamente son vidrios, también son mucho más duros y menos quebradizos que los vidrios de óxido y las cerámicas. Los metales amorfos se pueden agrupar en dos categorías, ya sea no ferromagnéticos, si están compuestos de Ln, Mg, Zr, Ti, Pd, Ca, Cu, Pt y Au, o aleaciones ferromagnéticas, si están compuestas de Fe, Co. y Ni. [24]

La conductividad térmica de los materiales amorfos es menor que la del metal cristalino. Como la formación de estructuras amorfas depende de 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 compuesta de tres o más componentes, lo que da lugar a unidades cristalinas complejas con mayor energía potencial y menores posibilidades de formación. [25] 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 sobreenfriado .

A medida que cambian las temperaturas, la resistividad eléctrica de los metales amorfos se comporta de manera muy diferente a la de los metales normales. Si bien la resistividad en los metales regulares generalmente aumenta con la temperatura, siguiendo la regla de Matthiessen , se encuentra que la resistividad en una gran cantidad de metales amorfos disminuye al aumentar la temperatura. Este efecto se puede observar en metales amorfos de altas resistividades entre 150 y 300 microohmios-centímetros. [26] En estos metales, los eventos de dispersión que causan la resistividad del metal ya no pueden considerarse estadísticamente independientes, lo que explica la ruptura de la regla de Matthiessen. Mooij observó por primera vez en 1973 el hecho de que el cambio térmico de la resistividad en metales amorfos puede ser negativo en un amplio rango de temperaturas y estar correlacionado con sus valores absolutos de resistividad, acuñando de ahí el término "regla de Mooij". [27] [28]

Las aleaciones de boro , silicio , fósforo y otros formadores de vidrio con metales magnéticos ( hierro , cobalto , níquel ) tienen una alta susceptibilidad magnética , con baja coercitividad y alta resistencia eléctrica . Normalmente, la conductividad eléctrica de un vidrio metálico es del mismo orden de magnitud bajo 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, por ejemplo, para núcleos magnéticos de transformadores . Su baja coercitividad también contribuye a que las pérdidas sean bajas.

La superconductividad de películas delgadas de metales amorfos fue descubierta experimentalmente a principios de la década de 1950 por Buckel y Hilsch. [29] Para ciertos elementos metálicos , la temperatura crítica superconductora Tc puede ser mayor en el estado amorfo (por ejemplo, tras la aleación) que en el estado cristalino, y en varios casos la Tc aumenta al aumentar el desorden estructural. Este comportamiento puede entenderse y racionalizarse considerando el efecto del desorden estructural en el acoplamiento electrón- fonón . [30]

Los metales amorfos tienen límites elásticos a la tracción más altos y límites de deformación elástica más altos que las aleaciones de metales policristalinos, pero sus ductilidades y resistencias a la fatiga son menores. [31] 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") mayores que las aleaciones cristalinas. Los metales amorfos obtienen su resistencia directamente de su estructura no cristalina, que no tiene ninguno de los defectos (como dislocaciones ) que limitan la resistencia 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 bajo tensión , lo que limita la aplicabilidad del material en aplicaciones críticas para la confiabilidad, ya que la falla inminente no es evidente. Por lo tanto, existe un interés considerable en producir compuestos de matriz metálica que consistan en una matriz metálica cristalina dúctil que contenga partículas dendríticas o fibras de un metal de vidrio amorfo.

Quizás la propiedad más útil de las aleaciones amorfas en masa es que son verdaderos vidrios, lo que significa que se ablandan y fluyen al calentarlas. Esto permite un procesamiento fácil, como por ejemplo mediante moldeo por inyección , de manera muy similar a como lo hacen los polímeros . Como resultado, se han comercializado aleaciones amorfas para su uso en equipos deportivos, [32] dispositivos médicos y como estuches para equipos electrónicos. [33]

Se pueden depositar películas delgadas de metales amorfos 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 ( transformadores de metal amorfo ) a frecuencia de línea y en algunos transformadores de frecuencia más alta. El acero amorfo es un material muy frágil que dificulta el punzonado de las laminaciones del motor. [34] Además, la vigilancia electrónica de artículos (como las etiquetas de identificación pasivas para el control de robos) a menudo utiliza gafas metálicas debido a estas propiedades magnéticas.

En Caltech se desarrolló una aleación amorfa comercial, Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni y 22,5% Be), como parte de la investigación de nuevos materiales aeroespaciales del Departamento de Energía y la NASA . [15]

El vidrio metálico a base de Ti, cuando se convierte en tubos delgados, tiene una alta resistencia a la tracción de 2100 MPa (300 ksi), un alargamiento elástico del 2% y una alta resistencia a la corrosión. [35] Utilizando estas propiedades, se utilizó un vidrio metálico Ti-Zr-Cu-Ni-Sn para mejorar la sensibilidad de un medidor de flujo Coriolis . Este medidor de flujo es entre 28 y 53 veces más sensible que los medidores convencionales, [36] que pueden aplicarse en la industria de 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 por 4 mm (0,087 a 0,197 por 0,157 pulgadas) para automóviles y otras industrias, y estos sensores son más pequeños, más sensibles y poseen una mayor resistencia a la presión. en comparación con el acero inoxidable convencional elaborado a partir de trabajo en frío. Además, esta aleación se utilizó para fabricar el motorreductor más pequeño del mundo con diámetros de 1,5 y 9,9 mm (0,059 y 0,390 pulgadas) que se produjo y vendió en ese momento. [37]

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 formación termoplástica de vidrios metálicos. [38] Una temperatura de ablandamiento tan baja permite desarrollar métodos simples para fabricar compuestos de nanopartículas (por ejemplo, nanotubos de carbono ) y vidrios metálicos a granel. Se ha demostrado que los vidrios metálicos pueden modelarse en escalas de longitud extremadamente pequeñas, que van desde 10 nm hasta varios milímetros. [39] Esto puede resolver los problemas de la litografía por nanoimpresión, donde los costosos nanomoldes hechos de silicio se rompen fácilmente. Los nanomoldes fabricados con vidrio metálico son fáciles de fabricar y más duraderos que los moldes de silicona. Las propiedades electrónicas, térmicas y mecánicas superiores de los vidrios metálicos a granel 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 . [40]

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 elástico casi coincide con el de 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 sea biológicamente unible mediante modificación de la superficie utilizando pulsos de láser, lo que permite una mejor unión con el hueso. [41]

En la Universidad de Lehigh se está investigando el Mg 60 Zn 35 Ca 5 , enfriado rápidamente para lograr una estructura amorfa, como biomaterial para su 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 un ritmo de aproximadamente 1 milímetro por mes y se reemplaza con tejido óseo. Esta velocidad se puede ajustar variando el contenido de zinc. [42]

Los vidrios metálicos a granel también parecen exhibir propiedades superiores como SAM2X5-630, que tiene el límite elástico más alto registrado para cualquier aleación de acero; según el investigador, esencialmente tiene el límite umbral más alto en el que un material puede soportar un impacto sin deformarse permanentemente (plasticidad). ). La aleación puede soportar presiones y tensiones de hasta 12,5 GPa (123.000 atm) sin sufrir ninguna deformación permanente, esta es la resistencia al impacto más alta de cualquier vidrio metálico a granel jamás registrada (a partir de 2016). Esto lo convierte en una opción atractiva para Armor. material y otras aplicaciones que requieren una alta tolerancia al estrés. [43] [44] [45]

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. [46] [47] La ​​impresión láser con láminas (LFP) es otro método en el que láminas de metales amorfos se apilan y sueldan entre sí, capa por capa. [48]

Modelado y teoría

Los vidrios metálicos a granel se han modelado utilizando simulaciones a escala atómica (dentro del marco de la teoría funcional de la densidad ) de manera similar a las aleaciones de alta entropía . [49] [50] Esto ha permitido hacer predicciones sobre su comportamiento, estabilidad y muchas más propiedades. Como tal, los nuevos sistemas de vidrio metálico a granel se pueden probar y adaptar para un propósito específico (por ejemplo, reemplazo óseo o componente de motor de avión ) sin tanta búsqueda empírica del espacio de fase o prueba y error experimental . La simulación de dinámica molecular (MD) ab-initio confirmó que la estructura de la superficie atómica de un vidrio metálico de Ni-Nb observada mediante microscopía de efecto túnel es un tipo de espectroscopia. Con sesgo aplicado negativo, visualiza solo un átomo blando (Ni) debido a la estructura de densidad electrónica de estados calculada mediante simulación MD ab-initio. [51]

Una forma común de intentar comprender las propiedades electrónicas de los metales amorfos es comparándolos con los metales líquidos, que están igualmente desordenados y para los cuales existen marcos teóricos establecidos. Para metales amorfos simples, se pueden alcanzar buenas estimaciones mediante modelos semiclásicos del movimiento de electrones individuales utilizando la ecuación de Boltzmann y aproximando el potencial de dispersión como la superposición del potencial electrónico de cada núcleo en el metal circundante. Para simplificar los cálculos, los potenciales electrónicos de los núcleos atómicos se pueden truncar para dar un pseudopotencial tipo muffin-tin. En esta teoría, hay dos efectos principales que gobiernan el cambio de resistividad al aumentar la temperatura. Ambos se basan en la inducción de vibraciones de los núcleos atómicos del metal a medida que aumentan las temperaturas. Una es que la estructura atómica se vuelve cada vez más borrosa a medida que las posiciones exactas de los núcleos atómicos se vuelven cada vez menos definidas. La otra es la introducción de fonones. Mientras que la dispersión generalmente disminuye la resistividad del metal, la introducción de fonones generalmente agrega sitios de dispersión y, por lo tanto, aumenta la resistividad. Juntos, pueden explicar la disminución anómala de la resistividad en los metales amorfos, ya que la primera parte pesa más que la segunda. A diferencia de los metales cristalinos normales, la contribución de fonones en un metal amorfo no se congela a bajas temperaturas. Debido a la falta de una estructura cristalina definida, siempre hay algunas longitudes de onda de fonones que pueden excitarse. [52] [53] Si bien este enfoque semiclásico es válido para muchos metales amorfos, generalmente se descompone en condiciones más extremas. A temperaturas muy bajas, la naturaleza cuántica de los electrones provoca efectos de interferencia de largo alcance de los electrones entre sí, lo que se denomina "efectos de localización débiles". [26] En metales muy desordenados, las impurezas en la estructura atómica pueden inducir estados electrónicos ligados en lo que se llama " localización de Anderson ", uniendo efectivamente los electrones e inhibiendo su movimiento. [54]

Ver también

Referencias

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