Ein umfassender Leitfaden für amorphe Metalle

1. Einführung in amorphe Metalle

Amorphe Metalle, die auch als metallische Gläser bezeichnet werden, sind eine einzigartige Klasse von Werkstoffen, die sich durch ihre ungeordnete atomare Struktur auszeichnen. Im Gegensatz zu kristallinen Metallen, die eine regelmäßige, sich wiederholende atomare Anordnung aufweisen, fehlt amorphen Metallen diese Ordnung, was zu unterschiedlichen Eigenschaften führt. Die fehlende Kristallinität führt zu einer Kombination aus hoher Festigkeit, Elastizität und Korrosionsbeständigkeit, was diese Materialien für verschiedene fortschrittliche Anwendungen äußerst wünschenswert macht.

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2. Herstellungsverfahren

Amorphe Metalle werden in der Regel durch schnelle Abkühlungsprozesse hergestellt, die verhindern, dass sich die Atome in einer kristallinen Struktur anordnen. Zu den gängigen Methoden gehören:

• Schmelzschleudern: Geschmolzenes Metall wird auf einem rotierenden Rad schnell abgekühlt, wodurch dünne Bänder entstehen. Diese Methode ist bei der Herstellung von amorphen Metallbändern für Transformatoren und andere magnetische Anwendungen weit verbreitet.
• Splat Quenching: Ein Tropfen geschmolzenen Metalls wird schnell zwischen zwei kalten Oberflächen abgekühlt, wodurch dünne, flache Scheiben aus amorphem Metall entstehen. Diese Methode wird im Labor zur schnellen Materialanalyse und für die Produktion in kleinem Maßstab eingesetzt.

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• PVD (Physikalische Gasphasenabscheidung): Metallatome werden in einer Vakuumumgebung auf einem Substrat abgeschieden, was die kontrollierte Bildung von amorphen Schichten ermöglicht. Diese Technik wird in der Elektronikindustrie häufig zur Herstellung dünner Schichten mit spezifischen magnetischen oder optischen Eigenschaften eingesetzt.

3. Eigenschaften und Anwendungen

Amorphe Metalle zeichnen sich durch einzigartige Eigenschaften aus, darunter hohe Festigkeit, Elastizität und Korrosionsbeständigkeit:

• Hohe Festigkeit: Amorphe Metalle weisen im Vergleich zu ihren kristallinen Gegenstücken oft eine höhere Zugfestigkeit auf, da keine Korngrenzen vorhanden sind. Metallische Glaslegierungen wie Vitreloy 1 weisen beispielsweise eine Zugfestigkeit von bis zu 1,9 GPa auf, die deutlich höher ist als die von herkömmlichem Stahl.
• Elastizität: Diese Metalle können eine erhebliche elastische Dehnung aufweisen, was sie sehr widerstandsfähig macht. Amorphe Metalle können eine elastische Dehnung von bis zu 2 % erfahren, während kristalline Metalle in der Regel eine elastische Dehnung von etwa 0,2 % aufweisen.
• Korrosionsbeständigkeit: Das Fehlen von Korngrenzen und die homogene Struktur führen zu einer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit. So haben z. B. metallische Gläser auf Zr-Basis eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit in salzhaltigen Umgebungen gezeigt, was sie ideal für maritime Anwendungen macht.
• Magnetische Eigenschaften: Bestimmte amorphe Metalle weisen weichmagnetische Eigenschaften auf, was sie für Transformatorenkerne und magnetische Abschirmungen nützlich macht. So haben amorphe Eisenlegierungen beispielsweise eine geringere Koerzitivfeldstärke und einen geringeren Kernverlust als kristallines Eisen, was die Energieeffizienz von Transformatoren verbessert.
• Elektrischer Widerstand: Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal ist der hohe elektrische Widerstand, der bei bestimmten Anwendungen wie Widerständen und Magnetsensoren von Vorteil sein kann.

Amorphe Metalle finden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften in verschiedenen Branchen Anwendung:

• Elektronik: Sie werden in Transformatorenkernen und Induktoren verwendet, insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen, bei denen ein geringer Energieverlust entscheidend ist. So können amorphe Metallkerne die Energieverluste im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumstahlkernen um bis zu 70 % reduzieren.
• Biomedizinische Geräte: Aufgrund ihrer Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit eignen sie sich für medizinische Implantate und chirurgische Instrumente. Metallische Gläser auf Zr-Basis werden insbesondere in Stents und orthopädischen Implantaten verwendet.
• Sportartikel: Sie werden aufgrund ihrer Festigkeit und Elastizität in Hochleistungssportgeräten wie Golf- und Tennisschlägern verwendet. Die Elastizität von metallischem Glas trägt zu einer besseren Energieübertragung bei und erhöht so die Leistung der Geräte.
• Verteidigung und Luft- und Raumfahrt: Sie werden für leichte Panzerungen und Strukturkomponenten verwendet, die ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht erfordern. Amorphe Metallbeschichtungen werden auch zum Schutz von Luft- und Raumfahrtkomponenten vor Verschleiß und Korrosion eingesetzt.
• Unterhaltungselektronik: Werden aufgrund ihrer Langlebigkeit und Kratzfestigkeit in Gehäusen und Strukturkomponenten verwendet. Für das Gehäuse der Apple Watch wird beispielsweise eine metallische Glaslegierung verwendet, die sich durch ihre Festigkeit und glatte Oberfläche auszeichnet.

4. Herausforderungen und Entwicklungen

Amorphe Metalle stehen jedoch vor mehreren Herausforderungen, die ihre breite Einführung und Anwendung einschränken. Zu den Haupthindernissen gehören die Produktionskosten, die Größenbeschränkungen und die Sprödigkeit, die in unterschiedlichen Kontexten erhebliche Hürden darstellen.

Die größte Herausforderung sind die hohen Produktionskosten. Der Prozess der schnellen Abkühlung von geschmolzenem Metall, um eine Kristallisation zu verhindern, erfordert spezielle Geräte und eine präzise Steuerung, was den Herstellungsprozess sowohl komplex als auch teuer macht. Die Notwendigkeit einer schnellen Abkühlung erfordert häufig den Einsatz fortschrittlicher, teurer Maschinen, was die Möglichkeiten zur Herstellung amorpher Metalle in großem Maßstab einschränkt. Daher ist ihre Verwendung weitgehend auf hochwertige Anwendungen beschränkt, bei denen die Vorteile die Produktionskosten überwiegen.

Eine weitere wichtige Einschränkung ist die Schwierigkeit, große, massive amorphe Metallkomponenten herzustellen. Die schnelle Abkühlung, die für die Erhaltung der amorphen Struktur unerlässlich ist, wird mit zunehmender Größe des Bauteils immer schwieriger. Infolgedessen sind die meisten amorphen Metalle derzeit nur in kleinen Formen wie Bändern, Drähten oder dünnen Blechen erhältlich. Diese Einschränkung hat ihre Anwendung auf kleinere Gegenstände und Nischenmärkte beschränkt.

Auch die Sprödigkeit ist nach wie vor ein kritisches Problem, insbesondere bei strukturellen Anwendungen, bei denen die Materialien erheblichen Belastungen standhalten müssen. Obwohl amorphe Metalle für ihre Festigkeit bekannt sind, kann das Fehlen einer kristallinen Struktur zu Sprödigkeit führen, so dass sie unter bestimmten Bedingungen zu brechen drohen. Diese Sprödigkeit ist besonders problematisch bei Anwendungen, die Materialien erfordern, die Stöße absorbieren oder sich verformen können, ohne zu brechen.

Als Antwort auf diese Herausforderungen wurden auf dem Gebiet der amorphen Metalle bedeutende Fortschritte erzielt:

• Bulk Metallic Glasses (BMGs): Entwicklung größerer amorpher Metallkomponenten für den industriellen Einsatz. So wurden beispielsweise BMGs mit verbesserter Duktilität entwickelt, wodurch sie sich besser für strukturelle Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie eignen.

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• Fortschrittliche Legierungen: Entwicklung neuer Zusammensetzungen, die die Eigenschaften von amorphen Metallen verbessern, z. B. durch verbesserte Duktilität oder höhere Korrosionsbeständigkeit. Metallische Gläser auf Pd- und Cu-Basis zeichnen sich durch ihre verbesserten mechanischen Eigenschaften aus.
• Additive Fertigung: Erforschung des Einsatzes von 3D-Druckverfahren zur Herstellung komplexer amorpher Metallstrukturen. Dieser Ansatz könnte die Herstellung kundenspezifischer Komponenten mit hervorragenden Eigenschaften revolutionieren, z. B. Zahnimplantate und komplexe Teile für die Luft- und Raumfahrt.

5. Amorphe Metalle vs. metallische Gläser

Die Begriffe "amorphe Metalle" und "metallische Gläser" werden häufig synonym verwendet. Sie beziehen sich auf dieselbe Klasse von Materialien. Es gibt jedoch feine Unterschiede in der Verwendung dieser Begriffe, die wichtig zu verstehen sein können.

--Amorphe Metalle

Amorphe Metalle sind Metalle mit einer ungeordneten atomaren Struktur, die nicht das regelmäßige, sich wiederholende Muster aufweist, das in kristallinen Metallen zu finden ist. Diese ungeordnete Struktur wird durch schnelles Abkühlen des geschmolzenen Metalls erreicht, wodurch verhindert wird, dass sich die Atome in einem kristallinen Gitter anordnen.

Der Begriff "amorphes Metall" unterstreicht die atomare Unordnung des Metalls und wird häufig verwendet, wenn es um die breitere Kategorie geht, einschließlich verschiedener Herstellungsverfahren und Anwendungen.

--Metallische Gläser

Metallische Gläser sind eine Untergruppe der amorphen Metalle, die speziell eine glasartige Struktur aufweisen. Dieser Begriff hebt den nichtkristallinen, "glasartigen" Zustand des Materials hervor, der dem von herkömmlichen Gläsern wie Quarzglas ähnelt, aber aus metallischen Legierungen hergestellt wird.

Der Begriff "metallisches Glas" wird häufig in wissenschaftlichen und akademischen Kontexten verwendet, insbesondere wenn es um die mit dem glasartigen Zustand verbundenen physikalischen und mechanischen Eigenschaften geht, wie z. B. Sprödigkeit und elastisches Verhalten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass "amorphe Metalle" und "metallische Gläser" sich zwar auf dieselbe allgemeine Materialart beziehen, der erstere Begriff jedoch weiter gefasst ist und in der Industrie häufiger verwendet wird, während der letztere spezifischer ist und in der wissenschaftlichen Forschung häufig zur Beschreibung der glasartigen Eigenschaften dieser Materialien verwendet wird. Das Verständnis dieser Unterscheidungen kann helfen, die Eigenschaften des Materials und seine potenziellen Anwendungen genau zu beschreiben.

6. Schlussfolgerung

Amorphe Metalle mit ihrer einzigartigen ungeordneten atomaren Struktur stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Materialwissenschaft dar. Ihre Kombination aus hoher Festigkeit, Elastizität und Korrosionsbeständigkeit unterscheidet sie von herkömmlichen kristallinen Metallen und macht sie in der Elektronik, Biomedizin, Verteidigung und Luft- und Raumfahrt unverzichtbar.

Trotz der Herausforderungen, die sich aus den hohen Produktionskosten, der begrenzten Größe und der Sprödigkeit ergeben, werden die Grenzen des Machbaren mit diesen bemerkenswerten Materialien durch Forschung und Innovation immer weiter verschoben. Da die Industrie nach Werkstoffen sucht, die den Anforderungen moderner Technologien und Innovationen gerecht werden, sind amorphe Metalle in der Lage, die Zukunft von Hochleistungsanwendungen zu gestalten. Weitere Informationen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Referenz:

[1] UCLA News (2021, 31. März). Jahrhundertaltes Problem mit der ersten atomaren 3D-Darstellung eines amorphen Festkörpers gelöst. Abgerufen am 20. August 2024, von https://newsroom.ucla.edu/releases/first-ever-3d-atomic-imaging-amorphous-solid

[2] Y.C. Xin, P.K. Chu, 11 - Plasma immersion ion implantation (PIII) of light alloys, Editor(s): Hanshan Dong, In Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering, Surface Engineering of Light Alloys, Woodhead Publishing, 2010, Seiten 362-397, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781845695378500117

[3] Universität Wien (2024, August 20). Strukturelle Inhomogenitäten in massiven metallischen Gläsern. Abgerufen am 20. August 2024, von https://sounds-of-matter.univie.ac.at/research-projects/metallic-glass/