Жидкий металл

Liquidmetal и Vitreloy — коммерческие названия серии аморфных металлических сплавов, разработанных исследовательской группой Калифорнийского технологического института (Caltech) и продаваемых Liquidmetal Technologies . Жидкометаллические сплавы сочетают в себе ряд желательных свойств материала, в том числе высокую прочность на разрыв , отличную коррозионную стойкость , очень высокий коэффициент восстановления и отличные противоизносные характеристики, а также возможность термической формовки в процессах, аналогичных термопластам . Несмотря на название, они не являются жидкими при комнатной температуре. ^[1]

Liquidmetal был представлен для коммерческого применения в 2003 году. ^[2] Он используется, среди прочего, для изготовления клюшек для гольфа , часов и чехлов для мобильных телефонов .

Этот сплав стал конечным результатом исследовательской программы аморфных металлов, проводимой в Калифорнийском технологическом институте. Это был первый из серии экспериментальных сплавов, которым удалось достичь аморфной структуры при относительно низких скоростях охлаждения. ^{[ нужна ссылка ]} Аморфные металлы производились и раньше, но только небольшими партиями, поскольку скорость охлаждения должна была достигать миллионов градусов в секунду. Например, аморфные проволоки можно изготовить путем закалки струей расплавленного металла на вращающемся диске. Поскольку витрелой допускал такую медленную скорость охлаждения, стало возможным производство партий большего размера. Совсем недавно в портфель Liquidmetal был добавлен ряд дополнительных сплавов. Эти сплавы также сохраняют свою аморфную структуру после многократного повторного нагрева, что позволяет использовать их в самых разных традиционных процессах механической обработки.

Характеристики

Жидкий металл, созданный доктором Атаканом Пекером, содержит атомы существенно разных размеров. Они образуют плотную смесь с небольшим свободным объемом. В отличие от кристаллических металлов, здесь не существует явной точки плавления, при которой вязкость резко падает. Витрелой ведет себя больше как другие стекла : его вязкость постепенно падает с повышением температуры. При высокой температуре он ведет себя пластично, что позволяет относительно легко контролировать механические свойства во время литья. Вязкость не позволяет атомам двигаться настолько, чтобы сформировать упорядоченную решетку, поэтому материал сохраняет свои аморфные свойства даже после термоформования.

Сплавы имеют относительно низкие температуры размягчения, что позволяет отливать сложные формы без необходимости окончательной обработки. Свойства материала сразу после отливки намного лучше, чем у обычных металлов; обычно литые металлы имеют худшие свойства, чем кованые или кованые. Сплавы также пластичны при низких температурах (400 ° C или 752 ° F для самой ранней рецептуры) и могут подвергаться формованию . Низкий свободный объем также приводит к низкой усадке при охлаждении. По всем этим причинам Liquidmetal можно придавать сложные формы, используя процессы, аналогичные термопластам. ^[3] что делает Liquidmetal потенциальной заменой для многих применений, где обычно используются пластмассы.

Из-за своей некристаллической ( аморфной ) структуры жидкие металлы тверже, чем сплавы титана или алюминия аналогичного состава. Сплавы Liquidmetal на основе циркония и титана достигли предела текучести более 1723 МПа, что почти в два раза превышает прочность традиционных кристаллических титановых сплавов (Ti6Al4V составляет ~830 МПа), а также соответствует прочности высокопрочных сталей и некоторых высокотехнологичных объемных композиционных материалов (см. предел прочности для списка распространенных материалов). Однако первые методы литья приводили к появлению микроскопических дефектов, которые были отличными местами для распространения трещин, из-за чего витрелой становился хрупким, как стекло. Несмотря на свою прочность, эти ранние партии легко разбивались при ударе. Новые методы литья, корректировка смесей сплавов и другие изменения улучшили ситуацию. ^{[ нужна ссылка ]}

Отсутствие границ зерен способствует достижению высокого предела текучести (и, следовательно, устойчивости). В ходе демонстрации металлический шар, упавший на аморфную сталь, отскакивал значительно дольше, чем тот же металлический шар, упавший на кристаллическую сталь. ^[4]

Отсутствие границ зерен в металлическом стекле исключает зернограничную коррозию — распространенную проблему в высокопрочных сплавах, получаемых путем дисперсионного твердения и сенсибилизированных нержавеющих сталей. Таким образом, жидкометаллические сплавы, как правило, более устойчивы к коррозии, как благодаря механической структуре, так и элементам, используемым в их сплаве. Сочетание механической твердости, высокой эластичности и коррозионной стойкости делает Liquidmetal износостойким.

Хотя при высоких температурах пластическая деформация происходит легко, при комнатной температуре до наступления катастрофического разрушения ее почти не происходит . Это ограничивает применимость материала в приложениях, где надежность критична, поскольку приближающийся отказ не очевиден. Материал также подвержен усталости металла с ростом трещин. Двухфазная композитная структура с аморфной матрицей и пластичным дендритно-кристаллическим армированием или композит с металлической матрицей, армированный волокнами из другого материала, позволяет уменьшить или устранить этот недостаток. ^[5]

Использование

Liquidmetal сочетает в себе ряд свойств, которые обычно отсутствуют ни в одном материале. Это делает их полезными в самых разных приложениях.

Одним из первых коммерческих применений Liquidmetal было производство клюшек для гольфа, где высокоэластичный металл использовался на некоторых участках поверхности клюшки. ^[6] Они получили высокую оценку пользователей, но позже от продукта отказались, отчасти потому, что прототипы разбились после менее чем 40 обращений. ^[7] С тех пор Liquidmetal появился и в другом спортивном инвентаре, включая сердечники мячей для гольфа , лыж , бейсбольных и софтбольных бит , а также теннисных ракеток . ^[8]

Способность к литью и формованию в сочетании с высокой износостойкостью также привела к тому, что Liquidmetal в некоторых случаях используется в качестве замены пластика . ^[9] Он использовался в корпусах SanDisk «Cruzer Titanium» USB-накопителей последней модели , а также плееров Sansa в линейке флэш - для MP3-плееров , а также в корпусах некоторых мобильных телефонов , таких как роскошные продукты Vertu , и другой прочной бытовой электроники. . ^{[ нужна ссылка ]} Liquidmetal использовался в стоматологическом лазере Biolase Ilase. ^[10] и сканер кольцевого штрих-кода Socketmobile. Liquidmetal также использовался для изготовления инструмента для извлечения SIM-карты некоторых iPhone 3G, произведенных Apple Inc. , поставляемых в США. Это было сделано Apple в качестве упражнения для проверки возможности использования металла. ^[11] Они сохраняют поверхность без царапин дольше, чем конкурирующие материалы, но при этом имеют сложную форму. Те же качества позволяют использовать его в качестве защитных покрытий для промышленного оборудования, включая нефтяные бурильные трубы и электростанций трубы котлов . ^{[ нужна ссылка ]}

Он также заменяет титан в самых разных областях применения: от медицинских инструментов и автомобилей до военной и аэрокосмической промышленности. В военных целях стержни из аморфных металлов заменяют обедненный уран в пенетраторах кинетической энергии . ^[12] Пластины Liquidmetal использовались в солнечного ветра массиве коллекторов ионов на космическом зонде Genesis . ^{[ нужна ссылка ]}

Товарные сплавы

ряд сплавов на основе циркония Под этим торговым названием продается . Некоторые примеры композиций перечислены ниже в молярных процентах:

Ранний сплав Витрелой 1 : ^[13]
Цирконий : 41,2, бериллий : 22,5, титан : 13,8, медь : 12,5, никель : 10.
Вариант Витрелой 4 ( Вит4 ):
Цирконий : 46,75, бериллий : 27,5, титан : 8,25, медь : 7,5, никель : 10.
Витрелой 105 ( Вит105 ): ^[14]
Цирконий : 52,5, титан : 5, медь : 17,9, никель : 14,6, алюминий : 10.
Более поздняя разработка ( Vitreloy 106a ), которая образует стекло при менее быстром охлаждении:
Цирконий : 58,5, медь : 15,6, никель : 12,8, алюминий : 10,3, ниобий : 2,8.

Лицензионное использование

Apple Inc. приобрела бессрочную исключительную лицензию на использование технологий, разработанных после 2010 года, в бытовой электронике. ^[15]
Группа Swatch получила эксклюзивную лицензию на использование в своих часах сплавов Liquidmetal, разработанных после 2010 года. ^[16]

Ссылки

^ Liquidmetal.com. Материал жидкометаллических покрытий . Проверено 23 октября 2008 г. Архивировано 31 января 2009 г. в Wayback Machine.
^ Херрман, Дж. (2010, 17 августа). Гиз объясняет: что такое Liquidmetal? Проверено 7 июля 2015 г.
^ Жидкий металл ведет себя как пластик , Manufacturing Engineering, март 2003 г. Архивировано 6 декабря 2005 г. в Wayback Machine.
^ Официальная демонстрация прыгуна из жидкометаллического мяча на YouTube.
^ Аргументы в пользу объемного металлического стекла , Materials Today, март 2004 г.
^ Горант, Джим (июль 1998 г.). «Жидкий гольф» . Популярная механика . Архивировано из оригинала 12 декабря 2006 года.
^ Кэтрин Зандонелла (2 апреля 2005 г.). «Металлическое стекло: капля твердого вещества» . Новый учёный нет. 2493. Архивировано из оригинала 22 октября 2012 года . Проверено 10 июня 2013 г.
^ Драйверы - Водитель Liquid Metal - обсуждение клюшек для гольфа Liquidmetal
^ Американский институт физики. «Когда дело доходит до производства электронов, металлическое стекло превосходит пластик». ScienceDaily. 28 ноября 2011 г. (по состоянию на 21 ноября 2015 г.).
^ «Биолазный стоматологический лазер ILASE®» . Биолаза . 20 ноября 2018 г.
^ «Liquidmetal создала инструмент для извлечения SIM-карт для iPhone и iPad от Apple» . Appleinsider.com. 17 августа 2010 г. Проверено 10 июня 2013 г.
^ «Оборонное и тактическое применение» . Жидкометаллические Технологии. Архивировано из оригинала 23 марта 2013 года . Проверено 24 мая 2012 г.
^ Деметриу, Мариос Д; Джонсон, Уильям Л. (12 июля 2004 г.). «Характеристики сдвигового течения и кинетика кристаллизации при установившемся неизотермическом течении Витрелоя-1». Акта Материалия . 52 (12): 3403–3412. Бибкод : 2004AcMat..52.3403D . дои : 10.1016/j.actamat.2004.03.034 .
^ Моррисон, ML; Р. А. Бьюкенен; ПК Закон; Б. А. Грин; Г.Й. Ван; КТ Лю; Дж. А. Хортон (15 октября 2007 г.). «Усталостное поведение объемного металлического стекла Vitreloy 105 на основе Zr при четырехточечном изгибе». Материаловедение и инженерия: А. 467 (1–2): 190–197. дои : 10.1016/j.msea.2007.05.066 .
^ «Apple продлевает эксклюзивные права на сплавы Liquidmetal Technologies» . МакСлухи . Архивировано из оригинала 12 июля 2016 года . Проверено 18 февраля 2017 г.
^ «Swatch Group подписывает эксклюзивное лицензионное соглашение с Liquidmetal Technologies» . Пресс-релиз . Группа компаний «Свотч». 10 марта 2011 года . Проверено 10 июня 2013 г. Liquidmetal Technologies Inc. (OTCBB: LQMT) и The Swatch Group Ltd (SIX: Uhr / Uhr N) сегодня объявили о подписании эксклюзивного лицензионного соглашения, позволяющего швейцарскому производителю использовать технологию сплавов Liquidmetal по всему миру. В рамках Swatch Group технология Liquidmetal была впервые использована в 2009 году для Omega Seamaster Planet Ocean, а в 2010 году — для Breguet «Reveil Musical». Нынешний контракт позволит Swatch Group использовать эту технологию исключительно во всей линейке часов.

Внешние ссылки

[1] Liquidmetal.com. Материал жидкометаллических покрытий . Проверено 23 октября 2008 г. Архивировано 31 января 2009 г. в Wayback Machine.

[2] Херрман, Дж. (2010, 17 августа). Гиз объясняет: что такое Liquidmetal? Проверено 7 июля 2015 г.

[3] Жидкий металл ведет себя как пластик , Manufacturing Engineering, март 2003 г. Архивировано 6 декабря 2005 г. в Wayback Machine.

[4] Официальная демонстрация прыгуна из жидкометаллического мяча на YouTube.

[5] Аргументы в пользу объемного металлического стекла , Materials Today, март 2004 г.

[6] Горант, Джим (июль 1998 г.). «Жидкий гольф» . Популярная механика . Архивировано из оригинала 12 декабря 2006 года.

[7] Кэтрин Зандонелла (2 апреля 2005 г.). «Металлическое стекло: капля твердого вещества» . Новый учёный нет. 2493. Архивировано из оригинала 22 октября 2012 года . Проверено 10 июня 2013 г.

[8] Драйверы - Водитель Liquid Metal - обсуждение клюшек для гольфа Liquidmetal

[9] Американский институт физики. «Когда дело доходит до производства электронов, металлическое стекло превосходит пластик». ScienceDaily. 28 ноября 2011 г. (по состоянию на 21 ноября 2015 г.).

[10] «Биолазный стоматологический лазер ILASE®» . Биолаза . 20 ноября 2018 г.

[11] «Liquidmetal создала инструмент для извлечения SIM-карт для iPhone и iPad от Apple» . Appleinsider.com. 17 августа 2010 г. Проверено 10 июня 2013 г.

[12] «Оборонное и тактическое применение» . Жидкометаллические Технологии. Архивировано из оригинала 23 марта 2013 года . Проверено 24 мая 2012 г.

[13] Деметриу, Мариос Д; Джонсон, Уильям Л. (12 июля 2004 г.). «Характеристики сдвигового течения и кинетика кристаллизации при установившемся неизотермическом течении Витрелоя-1». Акта Материалия . 52 (12): 3403–3412. Бибкод : 2004AcMat..52.3403D . дои : 10.1016/j.actamat.2004.03.034 .

[14] Моррисон, ML; Р. А. Бьюкенен; ПК Закон; Б. А. Грин; Г.Й. Ван; КТ Лю; Дж. А. Хортон (15 октября 2007 г.). «Усталостное поведение объемного металлического стекла Vitreloy 105 на основе Zr при четырехточечном изгибе». Материаловедение и инженерия: А. 467 (1–2): 190–197. дои : 10.1016/j.msea.2007.05.066 .

[15] «Apple продлевает эксклюзивные права на сплавы Liquidmetal Technologies» . МакСлухи . Архивировано из оригинала 12 июля 2016 года . Проверено 18 февраля 2017 г.

[16] «Swatch Group подписывает эксклюзивное лицензионное соглашение с Liquidmetal Technologies» . Пресс-релиз . Группа компаний «Свотч». 10 марта 2011 года . Проверено 10 июня 2013 г. Liquidmetal Technologies Inc. (OTCBB: LQMT) и The Swatch Group Ltd (SIX: Uhr / Uhr N) сегодня объявили о подписании эксклюзивного лицензионного соглашения, позволяющего швейцарскому производителю использовать технологию сплавов Liquidmetal по всему миру. В рамках Swatch Group технология Liquidmetal была впервые использована в 2009 году для Omega Seamaster Planet Ocean, а в 2010 году — для Breguet «Reveil Musical». Нынешний контракт позволит Swatch Group использовать эту технологию исключительно во всей линейке часов.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]