Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

プラスチックのように成形できる金属

原子スケールでは、一般的に言えば、固体は結晶質または非晶質のいずれかです。結晶では、原子または分子は、積み重ねられた大砲またはハニカム内のセルのように、繰り返し規則的な配置で空間を埋めます。食卓塩は便利な例です。しかしながら、非晶質材料では、原子または分子は、配列を繰り返すことなく、ランダムに一緒に詰め込まれている。ガラスは一般的な例であり、実際には「非晶質」と「ガラス状」が同義語として一般的に使用されています。

多くの固体は結晶状態またはガラス状態のいずれかで存在する可能性がある。溶融材料が急速に凍結されると、原子や分子は、エネルギーがなくなる前に整然とした配置に落ち着くまでの時間が短くなり、存在する場所で凍結する必要がなくなります。得られた固体はガラス質である可能性が高い。しかし、ゆっくり凍らせると、原子や分子は「適切な」場所を見つけて規則的な構造に落ち着くことができます。得られた固体は結晶性である可能性が高い。

金属の特性は一般的に様々な熱処理を用いてこの方法で操作されます。顕微鏡検査の下では、金属は粒状であり、そしてそれぞれの粒子は、その中に原子が高度に規則的な結晶構造で配置されている体積である。一般的に言って、金属が速く冷却されるほど、結晶粒は小さくなり、当然問題が生じます。 結晶粒が全く形成されないほど十分に速く溶融金属を凍結することは可能ですか? 得られた金属片は完全にガラス質で、その原子は本質的にランダムに充填されています。

結局のところ、これは非常に困難です。純粋な金属では、それは不可能です:すべての原子が同じサイズであり、そして容易に一緒に詰まります、そしてそれらがそれらの整然とした結晶配置に落ちるのを防ぐのに十分な速さで溶融サンプルから移動する実用的な方法はありません三角形のビリヤードボール。しかし、金属を混合して合金を作るようになると、すべて同じサイズではない原子を扱うことになります。戦略には、次のようなものがあります。スペースにきちんと詰まらないサイズ分布の原子の混合を選択する。

しかしながら、ガラス状金属が実験室で実際に製造されたのは1960年までではありませんでした。試料を十分に速く冷却するためには手の込んだ手段が必要であり、それらは小さくて細いものでなければならなかった - ワイヤ、リボン、または厚さ100マイクロメートル未満の箔。しかし、その概念は証明され、研究者の目的は、高価な冷却方法を使わずにガラス状の金属物体をより大きなサイズで作ることができるほど十分に「臨界冷却速度」を下げることになりました。

1990年代に、CalTechの研究者はそれを機能させました。最初の市販の非晶質金属合金は、CalTech社のスピンオフLiquidmetal Technologies社によって2003年に発売されました。 Vitreloy 1と呼ばれ、それは約40%のジルコニウム、20%のベリリウム、そしてそれぞれ10%のチタン、銅、そしてニッケルです。

Vitreloy 1とその後継製品には、数多くの優れた特性があります。それらは強く、硬く、そして(結晶性金属とは異なり)それらは凍結時にあまり収縮しないので、射出成形、吹込成形、およびその他の点ではプラスチックと同じ経済的な方法を用いて形成することができる。非晶質金属用のツーリングを設計するには、材料の臨界冷却速度に注意を払う必要があります。部品のいくらかの体積があまりにもゆっくり冷却すると、そこにある合金は結晶化し、収縮し、そしてそれを台無しにするでしょう。

今日、Liquidmetalの非晶質合金はスポーツ用品、軍用機器、そして家電製品に使用されています。その一部はiPhoneや他の携帯電話にも使われています。あなたが購入することに熱心であれば、今のところ、あなたの最善の策はおそらく、スポーツケースがそのものから作られたSanDiskのCruzer TitaniumモデルUSBドライブのうちの1つを引っ掛けることである。いくつかのヘッドテニスラケットとローリングス野球用バットもアモルファス合金部品を含んでいます。 Liquidmetal Technologiesは、残念ながら、秘密保持契約に基づいて、テストと評価の目的で、交渉による販売以外でサンプルを提供していません。彼らはいくつかの特許を取得していますが、それらは興味深い技術的な詳細が記載されています。米国特許第7017645号は、非晶質合金用の金型を設計する方法について特に有益であり、2013年に失効するとされる最初のVitreloy特許(US5288344)は、厚さ5mmの層に鋳造すると非晶質であることが示された。 」

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