Stopy szkieł metalicznych (BMG) składają się z trzech lub więcej pierwiastków, których połączenie, podgrzanie i schłodzenie w określonych temperaturach pozwala na uzyskanie niezwykle przydatnych materiałów m.in. do produkcji zegarków, kijów golfowych czy przy produkcji implantów oraz urządzeń medycznych, w których wymagana jest plastyczność i wytrzymałość. Zespół pracujący pod kierunkiem Jana Schroersa z Yale University, opracował odpowiedni wzór dla wielu stopów metali, które można formować w niemal dowolny kształt, tak jakby były wykonane z plastiku.

– To może oznaczać powstanie całkowicie nowego sposobu pracy z metalami. Właściwości amorficznego metalu, które są lepsze od plastików i typowych metali, w połączeniu z łatwością, precyzją i niskimi kosztami wtryskiwania, mogą zmienić społeczeństwo tak, jak zmieniło je opracowanie syntetycznych tworzyw sztucznych i metod ich przetwarzania – mówi profesor Schroers.

I choć koszt materiałów potrzebnych do uzyskania stopów jest podobny do ceny stali o wysokiej jakości, gdyż zawierają one m.in. tytan, miedź, cyrkon czy nikiel, to jednak koszt ich formowania jest bardzo niski.

Jak podkreśla profesor Jan Schroers, istnieje około 20 milionów możliwych do uzyskania stopów BMG. Jednak za pomocą współcześnie używanych metod możliwe jest testowanie i charakteryzowanie maksymalnie 1 BMG na dobę – dotychczas wytworzono i zbadano około 120 000 BMG. Schroers zauważa, że produkcja i sprawdzenie wszystkich możliwych BMG trwałaby około 4000 lat. Jednak czas ten, dzięki opracowanej przez niego metodzie identyfikacji i charakterystyki 3000 BMG jednocześnie, można znacząco skrócić i wszystkie możliwe stopy zbadać w ciągu około 4 lat.

Naukowcy z Yale połączyli dwie metody. Jedna z nich to rozpylanie, które pozwala na jednoczesną produkcję tysięcy różnych stopów. Druga metoda to formowanie rozdmuchowe, które tworzy ze stopu rodzaj balonu, co pozwala na ocenę jego plastyczności. – Zamiast pompować jeden balon z jednego materiału, nadmuchujemy jednocześnie 3000 balonów z 3000 materiałów – podkreśla naukowiec. Od 2010 roku jego zespół przetestował w ten sposób około 50 000 nowych stopów i zidentyfikował trzy nowe BMG.

 

Szkło metaliczne – przyjrzyjmy się jemu bliżej
Szkło metaliczne, które po raz pierwszy otrzymano w 1960 roku,  to stop amorficzny (bezpostaciowy) dwu- lub wieloskładnikowy, w którym podstawowym  składnikiem jest metal. Podczas gdy atomy w metalu uporządkowane są w określone grupy, atomy w szkle metalicznym są rozmieszczone przypadkowo.

Ze względu na dużą ruchliwość elementów stopu, metale wykazują naturalną zdolność do krystalizacji, a więc nie tworzą faz bezpostaciowych. Dla uzyskania metalu w stanie szklistym konieczne są bardzo duże szybkości chłodzenia: V > 1010 C/sek. Szkła metaliczne produkuje się zatem najczęściej przez wylanie cienkiej warstwy stopu na szybko odprowadzające ciepło podłoże czy też jego odlewanie na wirującą tarczę (90 m/s).

 

Obecnie opracowane techniki otrzymywania szkieł metalicznych dotyczą tylko niektórych stopów metalicznych np.:
- stopy ze składnikiem metalu przejściowego Cu(50)-Zr(50); Ni(60)- Nb(40);
- stopy metal - niemetal Pd(80) - Si(20), stop magnetyczny Fe(40)Ni(40)P(14)B(6).
 

Wybrane zalety szkieł metalicznych: - brak granic międzyziarnowych, - brak plastyczności, - wysoka twardość, - nadprzewodnictwo, - bardzo dobre właściwości magnetyczne.

Ta nowa grupa materiałów ma bardzo interesujące właściwości magnetyczne i mechaniczne, które znalazły zastosowanie w:
– wzmocnieniu zbiorników ciśnieniowych;
– wężach, rurach, pasach;
– „tkaninach” ekranujące przed interferencją;
– ostrzach;
– w rdzeniach transformatorów, głowicach magnetycznych czy elastycznych ekranach magnetycznych.
– foliach łączących elementy stalowe i stopy niklu w wymiennikach ciepła, bateriach Ni-Cd czy rozrusznikach serca.

 

 

Źródło: Yale University, Politechnika Gdańska, AGH