Metallo liquido - Liquidmetal

Da non confondere con il metallo liquido .

Liquidmetal e Vitreloy sono nomi commerciali di una serie di leghe metalliche amorfe sviluppate da un team di ricerca del California Institute of Technology (Caltech) e commercializzate da Liquidmetal Technologies . Le leghe Liquidmetal combinano una serie di caratteristiche del materiale desiderabili, tra cui un'elevata resistenza alla trazione , un'eccellente resistenza alla corrosione , un coefficiente di restituzione molto elevato ed eccellenti caratteristiche antiusura, oltre a poter essere formate a caldo in processi simili ai termoplastici . Nonostante il nome, non sono liquidi a temperatura ambiente.

Liquidmetal è stato introdotto per applicazioni commerciali nel 2003. Viene utilizzato, tra le altre cose, per mazze da golf , orologi e cover per telefoni cellulari .

La lega era il risultato finale di un programma di ricerca sui metalli amorfi condotto al Caltech. È stata la prima di una serie di leghe sperimentali in grado di ottenere una struttura amorfa a velocità di raffreddamento relativamente basse. I metalli amorfi erano stati prodotti prima, ma solo in piccoli lotti perché le velocità di raffreddamento dovevano essere dell'ordine di milioni di gradi al secondo. Ad esempio, i fili amorfi potrebbero essere fabbricati spegnendo per splat un flusso di metallo fuso su un disco rotante. Poiché Vitreloy consentiva velocità di raffreddamento così basse, era possibile la produzione di lotti di dimensioni maggiori. Più di recente, al portafoglio Liquidmetal sono state aggiunte una serie di leghe aggiuntive. Queste leghe mantengono anche la loro struttura amorfa dopo ripetuti riscaldamenti, consentendo loro di essere utilizzate in un'ampia varietà di processi di lavorazione tradizionali.

Caratteristiche

Liquidmetal, creato dal Dr. Atakan Peker, contiene atomi di dimensioni significativamente diverse. Formano una miscela densa con basso volume libero. A differenza dei metalli cristallini, non esiste un punto di fusione evidente in cui la viscosità diminuisce improvvisamente. Vitreloy si comporta più come gli altri vetri , in quanto la sua viscosità diminuisce gradualmente con l'aumentare della temperatura. Ad alta temperatura, si comporta in modo plastico, consentendo di controllare le proprietà meccaniche con relativa facilità durante la colata. La viscosità impedisce agli atomi di muoversi abbastanza da formare un reticolo ordinato, quindi il materiale mantiene le sue proprietà amorfe anche dopo essere stato formato a caldo.

Le leghe hanno temperature di rammollimento relativamente basse, consentendo la colata di forme complicate senza bisogno di finitura. Le proprietà del materiale subito dopo la colata sono molto migliori di quelle dei metalli convenzionali; di solito, i metalli fusi hanno proprietà peggiori di quelli forgiati o lavorati. Le leghe sono anche malleabili a basse temperature (400 °C o 752 °F per la prima formulazione) e possono essere stampate . Il basso volume libero comporta anche un basso ritiro durante il raffreddamento. Per tutti questi motivi, Liquidmetal può essere modellato in forme complesse utilizzando processi simili ai termoplastici, il che rende Liquidmetal un potenziale sostituto per molte applicazioni in cui la plastica verrebbe normalmente utilizzata.

A causa delle loro strutture non cristalline ( amorfe ), i metalli liquidi sono più duri delle leghe di titanio o alluminio di composizione simile. Le leghe Liquidmetal a base di zirconio e titanio hanno raggiunto una resistenza allo snervamento di oltre 1723 MPa, quasi il doppio della resistenza delle leghe di titanio cristallino convenzionali (Ti6Al4V è ~ 830 MPa) e circa la resistenza degli acciai ad alta resistenza e di alcuni materiali compositi sfusi altamente ingegnerizzati (vedi resistenza alla trazione per un elenco di materiali comuni). Tuttavia, i primi metodi di fusione introdussero difetti microscopici che erano siti eccellenti per la propagazione delle crepe che portavano il Vitreloy ad essere fragile come il vetro. Sebbene forti, questi primi lotti si rompevano facilmente quando venivano colpiti. Metodi di fusione più recenti, aggiustamenti delle miscele di leghe e altri cambiamenti hanno migliorato questo aspetto.

La mancanza di bordi di grano contribuisce all'elevata resistenza allo snervamento (e quindi alla resilienza) esibita. In una dimostrazione, una sfera metallica caduta su acciaio amorfo ha rimbalzato significativamente più a lungo della stessa sfera metallica caduta su acciaio cristallino.

La mancanza di bordi dei grani in un vetro metallico elimina la corrosione dei bordi dei grani, un problema comune nelle leghe ad alta resistenza prodotte dall'indurimento per precipitazione e dagli acciai inossidabili sensibilizzati. Le leghe Liquidmetal sono quindi generalmente più resistenti alla corrosione, sia per la struttura meccanica che per gli elementi utilizzati nella sua lega. La combinazione di durezza meccanica, elevata elasticità e resistenza alla corrosione rende Liquidmetal resistente all'usura.

Sebbene a temperature elevate, la deformazione plastica si verifichi facilmente, quasi nessuna si verifica a temperatura ambiente prima dell'inizio del guasto catastrofico . Ciò limita l'applicabilità del materiale in applicazioni critiche per l'affidabilità, poiché il guasto imminente non è evidente. Il materiale è anche suscettibile alla fatica del metallo con crescita di cricche. Una struttura composita a due fasi con matrice amorfa e un rinforzo duttile dendritico in fase cristallina, o un composito a matrice metallica rinforzato con fibre di altro materiale può ridurre o eliminare questo inconveniente.

Usi

Liquidmetal combina una serie di caratteristiche che normalmente non si trovano in nessun materiale. Ciò li rende utili in un'ampia varietà di applicazioni.

Uno dei primi usi commerciali di Liquidmetal è stato nelle mazze da golf prodotte dall'azienda, dove il metallo altamente elastico è stato utilizzato in porzioni della faccia della mazza. Questi sono stati molto apprezzati dagli utenti, ma il prodotto è stato successivamente abbandonato, in parte perché i prototipi si sono frantumati dopo meno di 40 colpi. Da allora, Liquidmetal è apparso in altre attrezzature sportive, compresi i nuclei di palline da golf , sci , mazze da baseball e softball e racchette da tennis .

La capacità di essere fusa e modellata, combinata con l'elevata resistenza all'usura , ha anche portato Liquidmetal ad essere utilizzato come sostituto della plastica in alcune applicazioni. È stato utilizzato sull'involucro delle unità flash USB SanDisk "Cruzer Titanium" dell'ultimo modello , nonché sulla loro linea Sansa di lettori MP3 basati su flash e sugli involucri di alcuni telefoni cellulari , come i prodotti di lusso Vertu e altri dispositivi elettronici di consumo rinforzati . Liquidmetal è stato utilizzato nel laser dentale Biolase Ilase e nello scanner di codici a barre ad anello Socketmobile. Liquidmetal è stato anche utilizzato in particolare per realizzare lo strumento di espulsione della SIM di alcuni iPhone 3G prodotti da Apple Inc. , spediti negli Stati Uniti. Questo è stato fatto da Apple come esercizio per testare la fattibilità dell'utilizzo del metallo. Mantengono una superficie priva di graffi più a lungo rispetto ai materiali concorrenti, pur essendo realizzati in forme complesse. Le stesse qualità lo prestano all'uso come rivestimenti protettivi per macchinari industriali, inclusi tubi di trivellazione petroliferi e tubi di caldaie per centrali elettriche .

Sostituisce anche il titanio in applicazioni che vanno da strumenti medici e automobili all'industria militare e aerospaziale. Nelle applicazioni militari, le barre di metalli amorfi sostituiscono l' uranio impoverito nei penetratori di energia cinetica . Piastre di Liquidmetal sono state utilizzate nella schiera di collettori di ioni del vento solare nella sonda spaziale Genesis .

Leghe commerciali

Con questo nome commerciale è stata commercializzata una gamma di leghe a base di zirconio . Di seguito sono elencate alcune composizioni di esempio, in percentuale molare:

  • Una lega antica , Vitreloy 1 :
    Zr : 41,2 Be : 22,5 Ti : 13,8 Cu : 12,5 Ni : 10
  • Una variante, Vitreloy 4 ( Vit4 ):
    Zr : 46,75 Be : 27,5 Ti : 8,25 Cu : 7,5 Ni : 10
  • Vitreloy 105 ( Vit105 ):
    Zr : 52,5 Ti : 5 Cu : 17,9 Ni : 14,6 Al : 10
  • Uno sviluppo più recente ( Vitreloy 106a ), che forma il vetro con un raffreddamento meno rapido:
    Zr : 58,5 Cu : 15,6 Ni : 12,8 Al : 10,3 Nb : 2,8

Usi concessi in licenza

  • Apple Inc. ha acquisito una licenza perpetua ed esclusiva per l'utilizzo della sua tecnologia nell'elettronica di consumo.
  • Al Gruppo Swatch è stata concessa una licenza esclusiva per l'utilizzo di Liquidmetal nei suoi orologi.

Riferimenti

link esterno