Metalna stakla
Marija Lešina, 4.c
Marija Lešina, 4.c
UVOD
Materijali koji se koriste za aplikacije visoke tehnologije (high-tech materijali) se nazivaju i naprednim materijalima. U visoku tehnologiju ubrajamo razne vrste elektroničke opreme, računala, optičkih sustava, zrakoplova i vojnih raketnih sustava. Napredni materijali su tradicionalni materijali čija su svojstva poboljšana odnosno materijali visoke učinkovitosti. Mogu biti iz bilo koje grupe materijala (metali, keramike, polimeri) i obično imaju visoku cijenu. U napredne vrste materijala spadaju i metalna stakla.
Metalna stakla su zajedno s amorfnim strukturama otkriveni 1960. godine. Svaka krutina kod koje je regularni raspored atoma (periodičnost) narušen smatra se nekristalnom po karakteru. „Amorfni“ ili „stakleni“ su drugi nazivi koji se koriste da bi se opisao takav raspored atoma. Budući da je atomski razmještaj nasumičan (nema periodičnosti) u ovim materijalima, ne postoji granica mogućih atomskih razmještaja . To znači da je moguće imati beskonačan broj atomskih razmještaja i ovo stvara problem u opisivanju strukture amorfnih materijala.
Napredak u istraživanjima se vidio u sve boljem razumijevanju fizikalnih, kemijskih i mehaničkih svojstava metalnih stakala početkom 90-tih godina. Metalna stakla pokazuju ekstremno visoku čvrstoću, blisku teorijskoj čvrstoći krutina u staklenom stanju i plastičnom ponašanju u pothlađenom tekućem stanju. I eksperimentalna istraživanja i teorijske analize su otkrile da su transformacijske zone temeljne jedinice za plastičnu deformaciju metalnih stakala. Nadalje, nedavna istraživanja pokazuju da metalna stakla posjeduju zanimljiva fizikalna i mehanička svojstva za primjenu u tehnici te mikrosustavima i nanosustavima.
Metalna stakla otkrivena su oko 1960. kada je belgijski znanstvenik Pol Duwez na Kalifornijskom institutu za tehnologiju u Pasadeni, sintetizirao slitinu na bazi zlata i slicija u staklenom stanju brzim pretvaranjem tekućine u krutinu brzinom koja je približno jednaka milijun stupnjeva po sekundi. Ova visoka brzina očvršćivanja je bila izvedena izbacivanjem male kapljice taline na visoko vodljivi materijal, kao što je bakar, što je omogućilo da se talina raširi u obliku tanke folije na površinu materijala. Ovom tehnikom poznatoj kao „pištolj tehnika“, procjenjeno je da brzina očvršćivanja varira od 104 K/s do 10 10 K/s . Tipična stopa očvršćivanja za foliju debljine 50 μm je oko 10 6 .
FIZIKALNA SVOJSTVA
GUSTOĆA
Gustoća metalnih stakala ovisi o njihovom sastavu i strukturi. Općenito, gustoća metalnih stakala je nešto manja od gustoće klasičnih metala, a obično se kreće u rasponu od 5.5 do 13 g/cm3 . Gustoća metalnih stakala jako je važna jer utječe na područja njihove primjene; zbog male gustoće često se koriste u zrakoplovnoj industriji. Razlike u gustoći, kao što je i očekivano, ovise o tehnikama proizvodnje metalnih stakala.
Gustoće masivnih metalnih stakala (Bulk Metallic Glasses, BMG) su mjerene Arhimedovim postupkom kao funkcija brzine hlađenja. Gustoća potpuno kristalizirane slitine je bila 9.341 g/cm3. Očekivana je promjena gustoće sa brzinom hlađenja. Gustoća slitine naglo opada kada je slitina očvršćena pri relativno malim brzinama hlađenja, pogotovo kada su brzine hlađenja male. Drugim riječima, iako je razlika u gustoći između slitine masivnog metalnog stakla očvršćenog na malim brzinama hlađenja i kristalizirane slitine veoma mala, osjetljivost na brzinu hlađenja je veoma velika. Ali, kada je talina očvršćena na visokim brzinama, razlika gustoće između očvršćenog i kristalnog stanja je veća što nam govori da je slobodni volumen koji je zadržan u tekućini kao rezultat brzog očvršćivanja veći.
Na brzinama hlađenja većima od oko 50-75 K/s gustoća je mnogo manja nego gustoća kristalne slitine i gotovo je neovisna o brzini hlađenja. To znači da atomi imaju dovoljno vremena da se raspodijele u gustu atomsku konfiguraciju i da što je veća gustoća masivnog metalnog stakla to je manja brzina hlađenja.
2. VISKOZNOST
Viskoznost metalnih stakala je mjera unutarnjeg trenja i otpora koji se javlja kada se metalno staklo deformira. Općenito imaju visoku viskoznost u usporedbi s klasičnim metalima, što je jedna od njihovih karakterističnih osobina. Viskoznost metalnih stakala ovisi o temperaturi, sastavu i brzini deformacije. Viskoznost je obrnuto proporcionalna temperaturi, a proporcionalna brzini deformacije. Ipak, visoka viskoznost predstavlja izazov u njihovoj proizvodnji i obradi.
3. ELEKTRIČNA OTPORNOST
Amorfna struktura metalnih stakala stvara nepravilnosti u rasporedu atoma (time i elektrona) što ih čini lošim vodičima zbog velike električne otpornosti. Ovisno o sastavu i temperaturi, električna otpornost može varirati.
TEHNIKE PROIZVODNJE
Općenito razlikujemo tri osnovna neravnotežna procesa za dobivanje metastabilnih struktura:
1. Kaljenje iz tekuće ili čvrste faze
2. Kondenzacija plinovite faze
3. Posebni postupci sa čvrstim materijalima koji se odvijaju na sobnoj temperaturi
Kod procesa kaljenja (brzog hlađenja) djelomično se ili potpuno zamrzava konfiguracijsko stanje zadržavajući pri tome višak energije.
PODRUČJA PRIMJENE
SPORT - široka primjena u proizvodnji sportskih rekvizita zbog njihovih željenih mehaničkih svojstava: visoka čvrstoća i velika granica elastičnosti. Odlična mehanička svojstva metalnih stakala na bazi cirkonija su primjenjena u golfskoj i tenisačkoj opremi. Također, metalna stakla su našla primjenu i u skijama, snowboardima, dijelovima bicikla te ribarskoj opremi.
AUTOMOBILSKE OPRUGE - mehanička svojstva metalnih stakala su posebno prikladna za njhovu upotrebu u oprugama. Ovi materijali imaju veliku granicu elastičnog naprezanja čime se povećava modul elastičnosti te omogućava manje duljine opruga. Dodatno, korištenjem prikladnih kompozicija slitina metalnih stakala u automobilskim oprugama, moguće je smanjiti masu motora i posljedično, smanjiti potrošnju goriva.
PROIZVODNJA DIJELOVA ZRAKOPLOVA - koriste se i u proizvodnji dijelova aviona pomoću slitine titana. Metalna stakla su pogodna za proizvođače aviona zbog visoke korozijske otpornosti jer je prednji dio aviona izložen djelovanju kiše.
MAGNETIZAM - primjena u transformatorima. Zbog visoke permeabilnosti metalna stakla su idealni materijali za proizvodnju mikro- i nanoelektromehaničkih sustava.
NAKIT - glatka površina i otpornost na vanjske uvjete.
BIOMEDICINSKE SVRHE - zbog velike otpornosti na koroziju koriste se za proizvodnju medicinskih alata, ali i kao prostetski materijali za implantaciju