비정질 금속

Amorphous metal
비정질 금속 샘플(밀리미터 스케일 포함)

비정질 금속(금속 유리, 유리 금속 또는 빛나는 금속이라고도 함)은 원자 규모의 구조가 무질서한 고체 금속 물질입니다.대부분의 금속은 고체상태에서 결정성이며, 이는 원자의 배열이 매우 질서정연하다는 것을 의미한다.비정질 금속은 비결정이며 유리 같은 구조를 가지고 있다.그러나 전형적인 전기 절연체인 유리창과 같은 일반적인 유리창과는 달리, 비정질 금속은 전기 전도성이 좋고 금속 광택을 나타낼 수 있습니다.

비정질 금속은 매우 빠른 냉각, 물리적 증기 증착, 고체 반응, 이온 조사 및 기계적 합금 [1][2]등 여러 가지 방법으로 제조할 수 있습니다.이전에는 회전하는 금속 디스크에 녹은 금속을 스패터링(멜트 스피닝)하여 생성되는 비정질 금속 리본과 같은 다양한 급속 냉각 방법을 통해 비정질 금속을 소량 생산했습니다.급속 냉각(초당 섭씨 수백만 도)은 결정이 형성되기에는 너무 빠르며 물질은 유리 [3]상태로 "잠금"됩니다.현재 두꺼운 층(1mm 이상)에서 비정질 구조를 형성할 수 있을 만큼 임계 냉각 속도가 낮은 합금이 다수 생산되었습니다. 이러한 합금은 벌크 메탈릭 글라스(BMG)라고 합니다.최근에는 기존 강철 합금의 3배 강도를 가진 비정질강 묶음이 생산되었습니다.

역사

최초로 보고된 금속 유리는 1960년 [4]W. 클레멘트(Jr.), 윌렌스, 듀웨즈가 칼텍에서 생산한 합금(AuSi7525)이었다.이 합금과 기타 초기 유리 형성 합금은 결정화를 피하기 위해 매우 빠르게 냉각되어야 했습니다(초당6 1메가켈빈, 10K/s).이로 인해 금속 유리는 필요한 냉각 속도를 달성하기에 충분히 빠르게 열을 추출할 수 있도록 1치수가 작은 제한된 형태(일반적으로 리본, 박일 또는 와이어)에서만 생산될 수 있었습니다.그 결과 금속 유리 표본은 (몇 가지 예외를 제외하고) 100마이크로미터 미만의 두께로 제한되었습니다.

1969년 77.5%, 구리 6%, 실리콘 16.5%의 합금은 임계 냉각 속도가 100~1000K/s인 것으로 밝혀졌다.

1976년, H. 리버만과 C.Graham은 과냉각된 고속 회전 [5]휠에서 비정질 금속의 얇은 리본을 만드는 새로운 방법을 개발했습니다.이것은 철, 니켈, 붕소의 합금이었다.Metglas로 알려진 이 재료는 1980년대 초에 상용화되었으며 저손실 배전 변압기(아모퍼스 금속 변압기)에 사용됩니다.Metglas-2605는 철 80%, 붕소 20%로 구성되며 퀴리 온도는 373°C, 실온 포화 자화는 1.56테슬라입니다.[6]

1980년대 초에는 5mm 직경의 유리 모양의 잉곳(ingot)이 표면 식각과 가열 냉각 사이클을 거쳐 55% 팔라듐, 22.5% 납, 22.5% 안티몬 합금으로 제조되었습니다.산화붕소 플럭스를 사용하여 달성 가능한 두께를 [clarification needed]1센티미터로 늘렸습니다.

1982년 비정질 금속 구조 완화 연구는 (FeNi0.50.5)83P의17 비열과 온도 사이의 관계를 나타냈다.물질이 가열됨에 따라 375K부터 성질이 음의 관계가 발생했는데, 이는 완화된 비정질 상태의 변화 때문이다.1~48시간 동안 재료를 아닐했을 때, 아닐 유도 구조가 그 [7]온도에서 사라졌기 때문에, 모든 아닐 기간 동안 475K에서 시작하는 특성들은 긍정적인 관계를 형성했습니다.이 연구에서 비정질 합금은 유리 전이 및 초냉각 액체 영역을 시연했습니다.1988년과 1992년 사이에 더 많은 연구에서 유리 전이 및 초냉각 액체 영역이 있는 유리 타입 합금이 발견되었습니다.이 연구에서 벌크 유리 합금은 La, Mg, Zr로 제작되었으며, 리본 두께를 20μm에서 50μm로 늘려도 가소성이 입증되었다.가소성은 그 [7][8][9][10]두께에서 부서지기 쉬운 과거의 비정질 금속과는 확연히 달랐다.

1988년에는 랜턴, 알루미늄 및 구리 광석의 합금이 유리 성형성이 매우 높은 것으로 밝혀졌다.Scandium을 함유한 Al계 금속 안경은 약 1500MPa의 [11]기록적인 인장 기계적 강도를 보였다.

1990년 신기술이 발견되기 전에는 두께 수 밀리미터의 벌크 아모르퍼스 합금이 드물었지만, 일부 예외를 제외하고는 PD계 아모르퍼스 합금을 [12]담금질하여 직경 2mm의 막대로 만들고, BO와23 반복 플럭스를 녹여 [13]직경 10mm의 구체를 담금질하여 형성하였다.

1990년대에 최저 초당 1켈빈의 냉각 속도로 유리를 형성하는 새로운 합금이 개발되었습니다.이러한 냉각 속도는 금속 금형에 단순 주조하여 달성할 수 있습니다.이러한 "벌크" 비정질 합금은 비정질 구조를 유지하면서 두께가 최대 수 센티미터인 부분(합금에 따라 최대 두께)으로 주조할 수 있습니다.최고의 유리 형성 합금은 지르코늄과 팔라듐을 기반으로 하지만 철, 티타늄, 구리, 마그네슘 및 기타 금속을 기반으로 하는 합금도 알려져 있습니다.많은 비정질 합금은 "혼란" 효과라고 불리는 현상을 이용하여 형성된다.이러한 합금은 너무 많은 다른 원소(종종 4개 이상)를 포함하고 있어 충분히 빠른 속도로 냉각되면 구성 원자는 이동성이 중단되기 전에 평형 결정 상태로 조정될 수 없습니다.이런 식으로 원자의 무작위 무질서 상태는 "잠금"됩니다.

1992년, 상업용 비정질 합금인 Vitreloy 1(Zr 41.2%, Ti 13.8%, Cu 12.5%, Ni 10%, Be 22.5%)은 에너지부와 NASA의 새로운 항공 우주 [14]물질 연구의 일환으로 Caltech에서 개발되었습니다.

2000년까지 도호쿠 대학과[15] Caltech의 연구에 따르면 란타넘, 마그네슘, 지르코늄, 팔라듐, 철, 구리 및 티타늄을 기반으로 한 다성분 합금이 산출되었으며 임계 냉각 속도는 산화물 [clarification needed]잔에 버금가는 1K/s에서 100K/s 사이였습니다.

2004년, 벌크 아모르퍼스강은 두 그룹에 의해 성공적으로 생산되었습니다. 하나는 Oak Ridge National Laboratory에서 "유리강"이라고 칭하는 그룹이고 다른 하나는 버지니아 대학에서 "DARVA-Glass 101"[16][17]이라고 칭하는 그룹입니다.이 제품은 실온에서 비자성이고 일반 강철보다 훨씬 강하지만, 공공 또는 군사용으로 [18][19]재료를 도입하기까지는 오랜 연구 개발 과정이 남아 있습니다.

2018년 SLAC 국립가속기연구소, 국립표준기술연구소(NIST) 및 노스웨스턴 대학 연구팀은 인공지능을 사용하여 연간 20,000개의 금속 유리 합금 샘플을 예측하고 평가했다고 보고했습니다.그들의 방법은 새로운 비정질 금속 [20][21]합금의 연구와 시장 출시 기간을 단축할 것을 약속한다.

특성.

비정질 금속은 보통 순수한 금속이 아닌 합금이다.합금은 크기가 상당히 다른 원자를 포함하고 있어 용융 상태에서 자유 부피가 낮습니다(따라서 다른 금속 및 합금보다 점도가 최대 몇 배까지 높습니다).점도는 원자가 규칙적인 격자를 형성할 만큼 충분히 움직이지 못하게 한다.또한 재료 구조는 냉각 시 수축이 적고 소성 변형에 대한 저항성이 있습니다.결정성 재료의 약점인 입자 경계가 없는 것은 마모 및 부식에 대한[22] 내성을 향상시킵니다.아모퍼스 금속은 기술적으로 유리지만 산화물 유리나 세라믹보다 훨씬 단단하고 덜 부서진다.비정질 금속은 Ln, Mg, Zr, Ti, Pd, Ca, Cu, Pt, Au로 구성되면 비강자성 금속으로 분류할 수 있으며, Fe, Co, [23]Ni로 구성되면 강자성 합금으로 분류할 수 있다.

비정질 재료의 열전도율은 결정성 금속보다 낮다.비정질 구조의 형성은 빠른 냉각에 의존하기 때문에 비정질 구조의 최대 두께를 제한합니다.냉각속도가 느린 경우에도 비정질 구조를 형성하기 위해서는 합금을 3개 이상의 성분으로 만들어야 하며, 이로 인해 보다 높은 잠재 에너지와 낮은 [24]생성 가능성을 가진 복잡한 결정 단위가 생겨난다.높은 패킹 밀도와 낮은 자유 부피를 달성하려면 구성 요소의 원자 반경이 크게 달라야 합니다(12% 이상).구성 요소의 조합은 혼합의 음열을 가지며 결정 핵 형성을 억제하고 용해된 금속이 과냉각 상태로 있는 시간을 연장해야 합니다.

온도가 변화함에 따라 비정질 금속의 전기 저항률은 일반 금속과 매우 다르게 작용합니다.보통 금속의 저항률은 일반적으로 온도에 따라 증가하지만, 마티센의 법칙에 따라 많은 비정질 금속의 저항률은 온도가 상승함에 따라 감소하는 것으로 나타났다.이는 150μδcm~300μδcm의 [25]높은 저항성의 비정질 금속에서 관찰할 수 있다.이러한 금속에서 금속의 저항률을 유발하는 산란 이벤트는 더 이상 통계적으로 독립적이라고 볼 수 없으며, 따라서 마티센 법칙의 분석을 설명할 수 있다.비정질 금속의 저항률 열변화는 광범위한 온도에서 음이 될 수 있으며 절대 저항률 값과 관련이 있다는 사실은 1973년에 Muij에 의해 처음 관찰되었고, 따라서 "Muij-rule"[26][27]이라는 용어를 만들었다.

붕소, 실리콘, 인 및 기타 유리 성형체와 자성 금속(철, 코발트, 니켈)의 합금은 높은 자화율과 낮은 보자기력과 높은 전기 저항을 가지고 있습니다.일반적으로 금속 유리의 전기 전도율은 용해점 바로 위의 용해된 금속과 같은 낮은 수준의 크기입니다.높은 저항은 예를 들어 변압기 자기 코어에 유용한 특성인 교류 자기장에 노출될 때 와전류에 의한 손실을 낮춥니다.그들의 낮은 강압성 또한 낮은 손실에 기여한다.

비정질 금속 박막의 초전도성은 1950년대 초 Buckel과 Hilsch에 [28]의해 실험적으로 발견되었다.특정 금속 원소의 경우 초전도 임계 온도c T는 결정 상태보다 비정질 상태(예를 들어 합금 시)에서 더 높을 수 있으며, 몇 가지 경우c T는 구조 무질서를 증가시키면 증가한다.이 동작은 전자-폰 [29]결합에 대한 구조적 무질서의 영향을 고려함으로써 이해되고 합리화될 수 있다.

비정질 금속은 다결정 금속 합금보다 인장 항복 강도와 탄성 변형률 한계가 높지만 연성 및 피로 강도는 [30]낮다.비정질 합금은 잠재적으로 유용한 다양한 특성을 가지고 있습니다.특히, 그것들은 유사한 화학 조성의 결정 합금보다 강한 경향이 있고 결정 합금보다 더 큰 가역적("탄성") 변형을 지속할 수 있습니다.비정질 금속은 결정 합금의 강도를 제한하는 결함(전위 등)이 없는 비결정 구조에서 직접 강도를 얻습니다.비트렐로이라고 알려진 현대의 비정질 금속 중 하나는 고급 티타늄의 거의 두 배에 달하는 인장 강도를 가지고 있습니다.그러나 상온에서 금속 유리는 연성이 없으며 장력이 가해질 때 갑자기 고장나는 경향이 있으며, 이는 곧 고장날 것이 분명하지 않기 때문에 신뢰성에 중요한 애플리케이션에서 재료 적용 가능성을 제한한다.따라서 연성 결정 금속의 수지상 입자 또는 섬유를 포함한 금속 유리 매트릭스로 이루어진 금속 매트릭스 복합재 제조에 상당한 관심이 있다.

아마도 벌크 아모르퍼스 합금의 가장 유용한 특성은 진정한 유리인 것입니다. 즉, 가열 시 연해지고 흐른다는 것을 의미합니다.이를 통해 폴리머와 거의 동일한 방식으로 사출 성형과 같은 손쉬운 가공이 가능합니다.그 결과, 비정질 합금은 스포츠 [31]기기, 의료 기기, 전자 [32]기기의 케이스에 사용할 수 있도록 상용화되었습니다.

비정질 금속 박막은 보호 코팅으로서 고속 산소 연료 기술을 통해 퇴적될 수 있다.

적용들

상업의

현재 가장 중요한 응용은 일부 강자성 금속 유리의 특수 자기 특성 때문입니다.낮은 자화 손실은 라인 주파수와 일부 고주파 변압기의 고효율 변압기(아모퍼스 금속 변압기)에서 사용됩니다.비정질강은 매우 부서지기 쉬운 재료이므로 모터 라미네이션에 [33]펀치하기 어렵습니다.또한 전자제품 감시(예: 도난 방지 패시브 ID 태그)는 이러한 자성 때문에 금속 안경을 사용하는 경우가 많습니다.

상업용 비정질 합금인 Vitreloy 1(41.2% Zr, 13.8% Ti, 12.5% Cu, 10% Ni, 22.5% Be)은 Caltech에서 에너지부와 NASA의 새로운 항공 우주 물질 [14]연구의 일환으로 개발되었습니다.

Ti 기반 금속 유리는 얇은 파이프로 제작될 때 2100MPA의 높은 인장 강도, 2%의 탄성 신장 및 높은 [34]내식성을 갖습니다.이러한 특성을 사용하여 코리올리 유량계의 감도를 개선하기 위해 Ti-Zr-Cu-Ni-Sn 금속 유리를 사용했습니다.이 유량계는 화석연료, 화학, 환경, 반도체, 의학계 등에 적용할 수 있는 기존 [35]계량기보다 약 2853배 이상 민감하다.

Zr-Al-Ni-Cu 기반 금속 유리는 자동차 및 기타 산업용으로 2.2~5mm x 4mm 압력 센서로 성형할 수 있으며, 이러한 센서는 냉간 가공으로 제조된 기존 스테인리스강보다 작고 민감하며 압력 내구성이 우수합니다.이 합금은 직경 [36]1.5mm와 9.9mm의 세계에서 가장 작은 기어드 모터를 생산해 판매하는 데 사용됐다.

잠재적인

비정질 금속은 유리 전이 위에 독특한 연화 거동을 보이며, 이 연화는 금속 [37]유리의 열가소성 성형에 대해 점점 더 많이 연구되고 있습니다.이러한 낮은 연화 온도는 나노입자(예를 들어 탄소 나노튜브)와 BMG의 복합물을 만드는 간단한 방법을 개발할 수 있게 한다.금속 유리는 10nm에서 수 [38]밀리미터까지의 매우 작은 길이의 눈금으로 무늬를 만들 수 있는 것으로 나타났습니다.실리콘으로 만든 고가의 나노몰드가 쉽게 깨지는 나노임프린트 리소그래피의 문제점을 해결할 수 있을 것이다.금속 유리 나노 몰드는 제작이 쉽고 실리콘 몰드보다 내구성이 뛰어납니다.폴리머에 비해 BMG의 전자적, 열적, 기계적 특성이 우수하여 필드 전자 방출 [39]소자 등 전자적 응용을 위한 나노 컴포지트 개발에 좋은 선택사항이 됩니다.

TiCuPdZr은40361410 티타늄보다 약 3배 강하며 탄성계수는 뼈와 거의 일치한다.내마모성이 높고 마모성 파우더가 발생하지 않습니다.합금은 응고 시 수축되지 않습니다.레이저 펄스를 이용한 표면 개조에 의해 생물학적으로 부착 가능한 표면 구조를 생성할 수 있어 뼈와의 접합이 [40]용이하다.

빠르게 냉각되어 비정질 구조를 이룬 MgZnCa는60355 골절을 고치기 위해 나사, 핀 또는 판으로 뼈에 이식하기 위한 생체 물질로 Lehigh University에서 연구되고 있습니다.기존 강철이나 티타늄과 달리 이 물질은 한 달에 약 1mm의 속도로 유기체에 용해되며 뼈 조직으로 대체된다.이 속도는 [41]아연의 함량을 변화시킴으로써 조절할 수 있다.

연구자에 따르면 벌크 메탈릭 글라스는 SAM2X5-630과 같은 우수한 특성을 보이는 것으로 보이며, 이는 강철 합금 중 가장 높은 탄성 한계를 가지고 있으며, 기본적으로 재료가 영구 변형(가소성) 없이 충격에 견딜 수 있는 가장 높은 역치 한계를 가지고 있다.합금은 영구 변형 없이 최대 12.5기가 파스칼(약 125,000기압)의 압력과 응력을 견딜 수 있으며, 이는 지금까지 기록된 벌크 금속 유리 중 가장 높은 내충격성(2016년 기준)입니다.따라서 높은 [42][43][44]내력성이 요구되는 Armour 소재 및 기타 용도에 적합한 옵션으로 사용됩니다.

적층 제조

금속 유리를 합성할 때 한 가지 문제는 높은 냉각 속도가 필요하기 때문에 이 기술은 종종 매우 작은 샘플만 생산한다는 것입니다. 3D 프린팅 방법은 더 큰 벌크 샘플을 만드는 방법으로 제안되었습니다.선택적 레이저 용해(SLM)는 철기 금속 [45][46]유리 제조에 사용된 적층 제조 방법의 한 예입니다.레이저박인쇄(LFP)는 비정질 금속의 박을 [47]층층이 쌓고 용접하는 또 다른 방법입니다.

모델링 및 이론

벌크 금속 유리(BMG)는 이제 고엔트로피 [48][49]합금과 유사한 방식으로 원자 스케일 시뮬레이션(밀도 기능 이론 프레임워크 내)을 사용하여 모델링되었습니다.이것은 그들의 행동, 안정성, 그리고 더 많은 특성에 대한 예측을 가능하게 했다.따라서 새로운 BMG 시스템은 위상 공간의 경험적 검색이나 실험 시행착오 없이 특정 목적(예: 골격 교체 또는 에어로 엔진 구성 요소)에 맞게 테스트하고 조정할 수 있다.하지만, 어떤 원자 구조가 금속 유리의 본질적인 특성을 조절하는지는, 수년간의 활발한 연구에도 불구하고,[50][51] 꽤 어려운 것으로 밝혀졌다.Ab-initio Molecular Dynamics(MD; 분자역학) 시뮬레이션 결과 주사 터널링 현미경으로 관찰된 Ni-Nb 금속 유리의 원자 표면 구조는 분광학의 일종임이 확인되었다.음의 적용 바이어스에서는 ab-initio MD [52]시뮬레이션을 사용하여 계산된 상태의 전자 밀도 구조 때문에 원자(Ni) 중 하나의 소프트만 시각화한다.

비정질 금속의 전자적 특성을 이해하려고 시도하는 일반적인 방법 중 하나는 비슷하게 무질서하고 확립된 이론적 틀이 존재하는 액체 금속과 비교하는 것입니다.단순 비정질 금속의 경우 볼츠만 방정식을 사용하여 개별 전자의 움직임을 반고전적으로 모델링하고 주변 금속에 있는 각 핵의 전자 전위의 중첩으로 산란 전위를 근사함으로써 양호한 추정에 도달할 수 있다.계산을 단순화하기 위해 원자핵의 전자전위를 잘라서 머핀 주석 의사전위를 얻을 수 있다.이 이론에서는 온도 상승에 따른 저항률 변화를 제어하는 두 가지 주요 효과가 있습니다.둘 다 온도가 상승할 때 금속 원자핵의 진동을 유도하는 것에 기초한다.하나는 원자핵의 정확한 위치가 불분명해짐에 따라 원자구조가 점점 더 흐려진다는 것입니다.다른 하나는 포논의 도입이다.번짐은 일반적으로 금속의 저항률을 감소시키지만, 포논의 도입은 일반적으로 산란 부위를 추가하여 저항률을 증가시킨다.이 둘을 합치면 첫 번째 부분이 두 번째 부분보다 크기 때문에 비정질 금속의 비정상적인 저항률 감소를 설명할 수 있습니다.일반 결정성 금속과 달리 비정질 금속의 포논 기여는 저온에서 동결되지 않는다.정의된 결정 구조가 없기 때문에,[53][54] 항상 들뜨는 몇 가지 포논 파장이 있습니다.이 반고전적 접근법은 많은 비정질 금속에 잘 적용되지만, 일반적으로 더 극단적인 조건에서는 분해됩니다.매우 낮은 온도에서, 전자의 양자 특성은 "약한 국부적 효과"[25]라고 불리는 서로에 대한 전자의 장거리 간섭 효과를 이끈다.매우 강하게 무질서한 금속에서, 원자 구조의 불순물은 "앤더슨 국부화"라고 불리는 결합 전자 상태를 유도하여 전자를 효과적으로 결합시키고 움직임을 [55]억제할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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