فلزات آمورف: خواص آنها و ویژگی های خاصشان
هر روز ما با ده ها فلز در تعامل هستیم که دنیایی را که در آن زندگی می کنیم را شکل می دهند - از ساخت زیرساخت ها تا اتومبیل هایی که سوار می شویم. در سطح میکروسکوپی، همه این فلزات دارای ساختار اتمی کریستالی هستند. این امر منجر به رفتارهایی می شود که همه ما با آن آشنا هستیم، مانند خم شدن یا خاصیت چکش خواری. در این جا خواهید آموخت که فلزات بی شکل با همه این فلزات دیگر چقدر متفاوت هستند.
به طور معمول، هنگامی که یک فلز از حالت مایع به حالت جامد، سرد می شود، اتم ها خود را مرتب کرده و به ساختارهای سازمان یافته ای موسوم به دانه ها تبدیل می شوند. در محل تلاقی این دانه ها، مرزی شکل می گیرد.
تصویر: عکس میکروسکوپی از مرزهای دانه
راه تبدیل از مایع به جامد همان طور که آلیاژ سرد می شود را می توان به گونه ای فرموله کرد که حرکت اتم ها به سمت ساختار دانه ای سازمان یافته عقیم بماند. این منجر به یک ساختار اتمی شبیه مایع می شود.
فلزات و آلیاژها قدرت خود را از پیوندهای اتمی درون ماده به دست می آورند. این پیوندها در سراسر مرزهای دانه به دلیل نابجایی و ناخالصی ها ضعیف می شوند. راه فوق الذکر می تواند به گونه ای باشد که مرزهای دانه وجود نداشته باشد، و بنابراین از نظر اتمی قوی تر از سایر آلیاژها باشد.
تکامل فناوری فلزات بی شکل
فلزات بی شکل اولیه فقط در نوارهای بسیار نازک، با استفاده از یک روش چرخش مذاب برای دستیابی به سرعت خنک کنندگی عظیم مورد نیاز برای شکست تبلور که هنگام تبدیل فلز از مایع به جامد رخ می دهد، می توانستند ساخته شوند.
تلاش های تحقیق و توسعه در ناسا و کلتک آغاز شد و در بسیاری از دانشگاه ها روشی که در ابتدا به آن اشاره شد ادامه یافت تا آلیاژهایی ایجاد کنند که با نرخ خنک کنندگی بسیار پایین آمورف باقی بمانند.
اکنون این فناوری محدودیت ساخت روبان های نازک را پشت سر گذاشته است. ما می توانیم از فرایند قالب گیری تزریقی برای تولید قطعات با مقطع بزرگ تر استفاده کنیم. این به ما امکان می دهد قطعات مفیدی را در صنایع مختلف تولید کنیم.
آمورف یا بی شکل بودن به طور کامل در آلیاژ، ذاتی نیست. مواد هنوز باید نسبتاً سریع خنک شوند. اگر ضخامت دیواره یک قطعه بسیار زیاد باشد، مواد به اندازه کافی سریع سرد نمی شوند و شروع به ایجاد ساختار دانه ای بلوری می کنند.
به هر حال فلزات بی شکل به دلیل ویژگی های منحصر به فرد مواد مانند استحکام بالا با کشش بالا، مقاومت در برابر خوردگی و سازگاری زیستی، امکانات کاملاً جدیدی را برای مهندسان باز می کنند.
فلزات بی شکل از انجماد ناگهانی ذوب های فلزی تشکیل می شوند. اتم ها فرصتی برای تشکیل شبکه بلوری ندارند و به شکل نامنظم (بی شکل) سفت و جامد می شوند. از آن جایی که تبدیل فاز از مایع به جامد در این فرایند سرکوب می شود، هیچ هسته تبلور در حین انجماد ایجاد نمی شود. این نقص ها در ساختار مشبک فلزات معمولی بر خواص مکانیکی و الکترومغناطیسی تأثیر می گذارد و به عنوان مثال منجر به این می شود که مواد تمایل بیشتری به خوردگی داشته باشند، شکننده شوند یا سریع تر ترک بخورند.
از آن جا که فلزات بی شکل ساختار مشبک ندارند، مرزهای دانه و فاز شکل نمی گیرد. این ماده خواص مکانیکی فوق العاده ای را نشان می دهد، دارای مقاومت در برابر خوردگی بالاتر از حد متوسط، و زیست سازگار است و به گونه ای همسانگرد رفتار می کند. به همین دلیل، شیشه های فلزی، همان طور که فلزات بی شکل نیز نامیده می شوند، برای انواع برنامه های کاربردی با تکنولوژی بالا بسیار مناسب هستند و برای مثال برای اجزای محرک مقاوم در برابر سایش، سیستم تعلیق پایدار، دیافراگم برای فناوری حسگر یا محفظه ها برای لوازم الکترونیکی مصرفی جالب هستند.
کاربرد در صنایع
ویژگی های منحصر به فرد این مواد، طیف گسترده ای از برنامه ها را فعال می سازد. فلزات آمورف ویژگی های منحصر به فردی از مواد را در خود ترکیب می کنند. این امر آنها را برای طیف وسیعی از کاربردهای نوآورانه با فناوری های پیشرفته در صنایع مختلفی مانند هوافضا، فناوری پزشکی، روباتیک یا تحرک الکترونیکی مقدر کرده است.صنعت هوافضا
مزایای فلزات بی شکل: کاهش وزن و تولید در محدوده تحمل شدید.کاربرد: اتصالات، اجزای نصب و پره های توربین.
پایداری و سختی بالا همراه با صرفه جویی در وزن از الزامات کلیدی برای مصالح مورد استفاده در صنعت هوافضا هستند. مواد آمورف سبک وزن دو برابر قوی تر از آلیاژهای معمولی بر پایه کریستال، و بر پایه تیتانیوم هستند و بنابراین برای اجزای هوافضا ایده آل هستند. ویژگی های خاص مواد فلزات بی شکل همچنین باعث می شود تا طراحی اجزا بهینه شود. در نتیجه، می توان در مقایسه با اجزای معادل تیتانیوم، تا 20 درصد صرفه جویی بیشتری در وزن داشت.
فناوری پزشکی
مزایای فلزات بی شکل: مدول ارتجاعی پایین تر و مقاوم تر در برابر خوردگی نسبت به فلزات معمولی و همچنین زیست سازگار و سازگار با MRIکاربرد: چاقوی تیز و مقاوم و ابزارها و ایمپلنت های کم تهاجم
مواد مورد نیاز برای ایمپلنت های پزشکی باید زیست سازگار و مقاوم در برابر خوردگی باشند. فلزات خالص مانند پلاتین، نیوبیوم، تانتالیوم یا تیتانیوم برای این منظور مناسب ترین هستند، اما در حالت خالص اغلب سختی کافی ندارند و در شکل آلیاژها سازگاری زیستی آنها در مرز دانه ها کاهش می یابد.
از طرف دیگر، فلزات آمورف دارای یک استحکام بالا (بیش از 2000 مگاپاسکال)، خاصیت ارتجاعی فوق العاده و زیست سازگار هستند. علاوه بر این ، مدول E آنها تقریباً 85 GPa ، مشابه خواص مکانیکی استخوان انسان، است. بنابراین آنها برای پردازش ایمپلنت های پزشکی بسیار مناسب هستند.
صنعت خودرو
مزایای فلزات بی شکل: بسیار قوی، دارای سختی بالا، چگالی کم و الاستیککاربرد: سیستم های تعلیق و نصب ثابت، چرخ دنده ها و اجزای محرک مقاوم در برابر سایش، قطعات موتورهای الکتریکی، عناصر تزئینی و اجزای سازنده
چرخ دنده، اجزای موتور یا روتور: هرجا که بتوان در مواد صرفه جویی کرد، وزن کاهش می یابد. این به معنی کاهش هزینه سوخت و کاهش انتشار آلاینده ها و همچنین برد بیشتر است.
فلزات آمورف دارای چگالی کمی هستند اما بسیار قوی هستند (با قدرت خستگی 400N/mm² ). با استحکام خستگی خمشی 2500 مگاپاسکال، آنها دو برابر فولاد قوی هستند. ویژگی های خاص این مواد باعث می شود که بتوان طراحی قطعات را تغییر داد و آنها را نازک تر، باریک تر یا کوچک تر کرد - بدون این که قطعه ثبات خود را از دست بدهد. این امر نه تنها باعث صرفه جویی در وزن می شود، بلکه برای قطعاتی که تحت بارهای سنگین قرار می گیرند و سریع فرسوده می شوند، مانند سیستم تعلیق و نصب و همچنین شفت ها و قطعات انتقال، مزیت بزرگی محسوب می شود. کیفیت بالای این مواد باعث می شود عناصر تزئینی مقاوم در برابر خط و خش با حس دلپذیری برای فضای داخلی ایجاد شود.
صنعت طلا و جواهر و ساعت
مزایای فلزات بی شکل: کیفیت سطح بالا و قابلیت صیقل دادنکاربرد: اجزای ساعت و جواهرات مقاوم در برابر سایش
محصولات چرخه زندگی (lifestyle)، ارتباط عاطفی با مشتریان خود ایجاد می کنند. سطوح با کیفیت بالا و مقاومت در برابر خط و خش برای محصولات چرخه زندگی مانند ساعت و جواهرات ضروری است.
لوازم الکترونیکی مصرفی
مزایای فلزات بی شکل: ضد ضربه، ضد خش و مقاوم در برابر سایشکاربرد: محفظه های ضد ضربه و سبک تر برای گوشی های هوشمند و همچنین لولاها و عناصر تعلیق با دوام تر، و پوشش های حفاظتی بیشتر محافظ (محافظ های EMI)
لوازم الکترونیکی مصرفی همچنین نیاز به سطوح با کیفیت بالا و مقاوم در برابر خراش دارند. فلزات آمورف این را تضمین می کنند و همچنین دارای خاصیت ارتجاعی بالا و همچنین جاذب شوک هستند و می توانند در تلرانس های تنگ (+/- 10 میکرومتر) تولید شوند. از آن جا که این ماده هیچ کششی ندارد، اجزای ساخته شده از فلز بی شکل همچنین می توانند در یک مرحله بعدی با پلاستیک قالب گیری شوند. از آن جا که پردازش فلزات بی شکل شامل تبدیل فاز از مایع به جامد نمی شود، تنها کمترین چروک خوردگی (انقباض) (کمتر از نیم درصد) رخ می دهد.
کاربردهای صنعتی
مزایای فلزات بی شکل: کشش زیاد، میرایی کم، نفوذپذیری مغناطیسی، مقاومت در برابر خوردگیکاربرد: اجزای انتقال ضربه، سنسورها و غشاها برای بلندگوها، فنرها و قطعات چرخ دنده در روباتیک
غشاهای حسگرها باید حساسیت بالایی داشته باشند تا مقادیر اندازه گیری شده دقیق را ارائه دهند. در عین حال، آنها باید در طول فرایند کوچک سازی، کوچک تر و کوچک تر شوند - درست مانند فنرها و قطعات چرخ دنده در روباتیک.
فلزات آمورف بسیار کشسان هستند و به شکل غشاها، حساسیت حسگرها را در مقایسه با مواد معمولی تضمین می کنند. به دلیل ویژگی های این مواد، می توان آنها را در اندازه های بسیار کوچک نیز تولید کرد. در ابزارهایی که شوک ها را منتقل می کنند، فلزات بی شکل به دلیل ترکیب سختی و کشش زیاد، ضربه ها را به طور مطلوب منتقل می کنند. مقاومت آنها در برابر خوردگی و سایش، طول عمر بیشتری را برای قطعاتی که در معرض سایش زیاد هستند تضمین می کند.
آلات موسیقی
مزایای فلزات بی شکل: استحکام بالا، کشش بالا، ضد حساسیتکاربرد: پل های گیتار، قطعات دهانی برای سازهای بادی
چه پل روی یک ساز زهی باشد و چه قطعه دهانی روی یک ساز بادی: انتقال بهینه صدا برای یک ساز موسیقی تعیین کننده است. فلزات بی شکل با توجه به خاصیت کشسانی خود، ضربه ی تُن را مستقیم تر منتقل می کنند و بیشتر طول می کشند. این به طور کلی منجر به انتقال بهتر صدا می شود.
استحکام بالای فلزات بی شکل همچنین طرح های کاملاً جدیدی را ممکن می سازد. به عنوان مثال، می توان ساختارهای بیونیک (یعنی ساختارهای دارای قسمت های بدنی مصنوعی، به ویژه از نوع الکترومکانیک) را در تولید افزودنی برای بهینه سازی بیشتر صدا و تحقق طرح های فردی ایجاد کرد. علاوه بر این، اجزا نیازی به روکش کروم یا روکش دیگری در مرحله بعدی ندارند، زیرا خودِ ماده، ضد حساسیت است.
فرآوری فلزات بی شکل
کوچک سازی، کاهش وزن یا تولید در محدوده تحمل شدید: هر برنامه نیازهایی فردی دارد. به منظور حمایت بهینه از این الزامات در پروژه های مختلف، فرآوری آلیاژهای بی شکل در قالب تزریق و تولید افزودنی ارائه می شود، به صورت جداگانه متناسب با نیازهای موردی.
قالب گیری تزریقی
در فرایند قالب گیری تزریقی، آلیاژها به صورت القایی در خلا ذوب می شوند و در حالت مایع به قالب تزریق می شوند و به صورت بی شکل جامد می شوند. بنابراین اجزای نهایی در کمتر از دو دقیقه تولید می شوند.
مناسب برای:
* تولید در محدوده تحمل شدید
مزایا:
* فرآیند تولید خودکار (24 ساعته در شبانه روز و 7 روزه هفته، تولید امکان پذیر است.)
* کیفیت سطح بسیار خوب
* جایگزین ماشینکاری یا MIM (قالب گیری تزریقی فلز (Metal Injection Molding))
تولید افزودنی
پودرهای آمورف با خلوص بالا از Heraeus AMLOY مخصوص تولید مواد افزودنی بهینه شده اند. حتی پرینترهای معمولی سه بعدی آنها را به اجزای بزرگ تری با هندسه های پیچیده تبدیل می کنند. با توجه به استحکام بالای آنها، می توان اجزاء را از نظر طراحی تغییر داد، به عنوان مثال در ساختارهای بیونیکی.
ایده آل برای:
* تولید مقادیر کم تا متوسط
* هندسه های پیچیده و ابعاد اجزای بزرگ
مزایا:
استفاده از خواص مواد فلزات بی شکل برای طراحی بهینه وزن
فلزات شیشه ای
در مجموع نتیجه می گیریم که فلزات شیشه ای ممکن است مواد آینده باشند. آنها سخت تر، قوی تر و اساساً فقط بهتر هستند.در فیلم علمی تخیلی معمولی حدود 1950، آن صحنه ای وجود دارد که در آن دانشمندان از بشقاب پرنده تازه فرود آمده برمی گردند و به ارتش برنز می گویند هیچ ابزاری که بشر می شناسد نمی تواند بدنه بشقاب پرنده را بریده، سوزانده، یا خم کند، و در صورت برای این کار زخمی می شویم. اما این نوع فلز، قطعاً ریشه ای زمینی دارد.
به آن شیشه فلزی یا فلز بی شکل گفته می شود و به نظر می رسد چیزی کمتر از یک کلاس کاملاً جدید از مواد نیست که می تواند برای ساختن نسخه های سبک تر و قوی تر از هر چیزی استفاده شود. "همه چیز از یک مخزن آبرامز گرفته تا جت F-16 تا دوچرخه را می توان از این طریق تهیه کرد و چون دو تا سه برابر قدرت آلیاژهای معمولی را دارد، می توانید وزن را نصف کنید. این تکاملی نیست، انقلابی است. این، ماده ی ساختاری آینده است.
قدرت تنها فضیلت آن نیست. همچنین می تواند مانند یک پلاستیک تشکیل شود. بنابراین به جای ساختن ورق فلز و سپس بریدن، ماشینکاری و سوراخکاری، مثلاً برای ساخت گلگیر اتومبیل، که همه آنها قطعه را ضعیف می کند، یک گلگیر فلزی شیشه ای را می توان به صورت یک قطعه تزریق کرد – که این یک پیشرفت است. ویلیام نیکس ، استاد علوم مواد از دانشگاه استنفورد ، مشاورLiquidmetal Technologies ، که در تلاش برای تجاری سازی این فلز است، می گوید: "این ایده که شما می توانید چیزی مانند یک قطعه پلاستیکی با استحکام بسیار بالا قالب ریزی کنید یک پیشرفت کاملاً جدید است."
بهتر از این این که می توان آن را به آسانی تبدیل به فوم کرد. جانسون می گوید: "با اکثر فلزات انجام این کار مشکل است، زیرا حباب ها می خواهند به سطح فلز مذاب بروند." این واقعیت که فلز بی شکل ضخیم است و هنگامی که مذاب است مانند پلاستیک است، اجازه می دهد تا یک صفحه فوم ایجاد شود که 99 درصد آن هوا است اما تقریبا 100 برابر قوی تر از پلی استایرن است. یک ساندویچ ساخته شده از دو ورقه نازک از فلز بی شکل با فوم بی شکل، محکم، سبک، عایق، ضد حریق، ضد خطا، ضد زنگ، میرا کننده صدا و مشکل برای نفوذ توسط بمب ها است. چنین پنل هایی می توانند ساختمان، بدنه کشتی، بدنه هواپیما و بدنه خودرو را تشکیل دهند.
فلزات شیشه ای برشی است ورای هم فلزات و هم پلاستیک ها. اما شیشه فلزی یک مشکل بزرگ دارد - گران است. اولین فرم تجاری تجاری قابل قالب گیری تزریقی حدود 15 دلار در هر پوند هزینه دارد در حالی که آلومینیوم تقریباً 1 دلار در هر پوند و فولاد 25 پوند در هر پوند قیمت دارد. محققان در حال کار بر روی انواع با اجزای ارزان تر هستند. ما می توانیم یک محصول فولادی بی شکل و مقاوم بسازیم. این همه چیز را تغییر می دهد.
با این وجود، تغییرات اساسی در مواد اولیه یک شبه اتفاق نمی افتد. حتی اگر شیشه های فلزی فله ارزان شوند، کارخانه های فلزکاری جهان برای جا دادن آنها باید کاملاً بازسازی شوند.
چیزی که واقعاً هیجان انگیز است، پتانسیل فلز ضخیم یا فله ای بی شکل است. تجزیه و تحلیل نوارهای نازک نشان داد که یک تکه سنگین از مواد، به اندازه کافی ضخیم که به شکل های ساختاری در می آید، مانند چیزی است که قبلاً در زمین دیده نشده است. فلزات معمولی به دلیل نقایصی که به عنوان مرز دانه ها و دررفتگی ها شناخته می شوند، دچار فرورفتگی، پارگی و زنگ زدگی می شوند که در آنها بلورها از تراز خارج شده و نقاط ورود اکسیداسیون را فراهم می کنند. فلزات آمورف فاقد بلورهایی هستند که می توانند تحت تأثیر چنین نقایصی قرار گیرند و از این رو، فنری، فوق العاده قوی و ضد خوردگی هستند. اما یک فلز واقعاً ضخیم، فلزی با سطح کمی نسبت به جرم آن، به خنک شدن سریع یا بدون سرما نیاز دارد.
منبع:
براد لملی، discovermagazine
