Material Amorfo

Definição

Os metais amorfos são geralmente estrutural e quimicamente homogêneos, o que lhes confere propriedades isotrópicas atraentes para muitas aplicações.

Um metal amorfo é um material sólido de liga metálica que exibe uma estrutura incomum de escala atômica em comparação com todos os outros metais.

A maioria dos metais é cristalina em seu estado sólido. Seus átomos são organizados em um estado altamente ordenado. Os metais amorfos, por outro lado, têm um arranjo desordenado de átomos e não são cristalinos com uma estrutura semelhante ao vidro.

A primeira produção bem-sucedida de um metal amorfo (também conhecido como vidro metálico) ocorreu na Caltech em 1960.

Essa liga exclusiva de formação de vidro foi resfriada extremamente rapidamente para evitar a cristalização.

As primeiras aplicações da liga foram limitadas a fios, folhas e fitas de metal porque materiais mais espessos não puderam ser resfriados com rapidez suficiente para alcançar a estrutura não-cristalina desejada.

Na década de 1990, novas ligas amorfas estavam sendo desenvolvidas a uma taxa de resfriamento muito mais baixa, usando métodos de fundição simples em moldes metálicos.

Este procedimento abriu as portas para uma ampla variedade de usos industriais de metais amorfos.

O que é metal amorfo?

Um metal amorfo é um metal com uma estrutura atômica desordenada, em contraste com a maioria dos metais, que possuem uma estrutura regular.

Essas substâncias também são chamadas de vidros metálicos, porque uma maneira de fabricar metais amorfos é semelhante ao procedimento para fabricar vidro, mas usando metal em vez de sílica.

Estudos indicam que os metais amorfos podem ser mais que o dobro da resistência do metal normal e são ideais para armaduras militares, pesando o mesmo que o metal comum.

Devido à estrutura desordenada do material, ele também é mais resistente à corrosão e ao desgaste.

Os metais amorfos foram criados pela primeira vez na Caltech por Pol Duwez em 1957. Duwez criou o metal amorfo resfriando uma liga (Au_0.80Si_0.20) de um estado líquido em menos de uma fração de segundo.

A taxa de resfriamento tinha que exceder um milhão de graus Kelvin por segundo; portanto, o resfriamento do metal do estado líquido para o estado sólido precisava ocorrer em milissegundos.

O resfriamento rapidamente impediu que o metal se cristalizasse como um metal típico, fornecendo sua estrutura amorfa única.

No início, as formas de metal amorfo eram limitadas, consistindo principalmente de fitas finas, folhas e fios. Essas restrições foram impostas pela necessidade de uma taxa de resfriamento rápida.

O metal amorfo adequado para comercialização foi fabricado pela primeira vez em 1976 por C. Graham e H. Liebermann.

Eles usaram uma roda giratória super-resfriada para criar grandes quantidades de metal amorfo adequado para transformadores de distribuição de energia de baixa perda, comercializados sob o nome Metglas.

O metal amorfo pode ser rapidamente magnetizado e desmagnetizado, resultando em economia de energia quando usado em transformadores na rede elétrica. 70 a 80% menos energia é consumida por transformadores de metal amorfo, reduzindo as emissões de CO₂ e economizando energia.

Hoje, os transformadores de metal amorfo são amplamente utilizados na Índia e na China, onde foram utilizados para reduzir com sucesso as emissões de gases de efeito estufa.

Ao longo dos anos 80, cientistas de materiais experimentaram ligas diferentes, para diminuir a taxa de resfriamento necessária para a criação de metais amorfos.

Eles conseguiram reduzir a taxa de resfriamento crítico de centenas de Kelvins por segundo para apenas um Kelvin por segundo, tornando a fabricação de vidros metálicos a granel mais viável.

Em 2004, os pesquisadores conseguiram o aço amorfo a granel, abrindo caminho para uma comercialização mais ampla do material.

História

O primeiro vidro metálico foi uma liga (Au_0.80Si_0.20), produzida na Caltech por Pol Duwez em 1957.

Esta e outras ligas precoces tiveram que ser resfriadas extremamente rapidamente (da ordem de um megakelvin por segundo para evitar a cristalização.

Uma conseqüência importante disso foi que os vidros metálicos só podiam ser produzidos em um número limitado de formas (normalmente fitas, folhas ou fios), nas quais uma dimensão era pequena, de modo que o calor pudesse ser extraído com rapidez suficiente para atingir a taxa de resfriamento necessária.

Como resultado, as amostras de vidro metálico (com algumas exceções) foram limitadas a espessuras inferiores a cem micrômetros.

Em 1969, uma liga de 77,5% de paládio, 6% de cobre e 16,5% de silício apresentou uma taxa crítica de resfriamento entre -173 °C a 726 °C.

Em 1976, H. Liebermann e C. Graham desenvolveram um novo método de fabricação de fitas finas de metal amorfo em uma roda de giro rápido super-resfriada. Era uma liga de ferro, níquel, fósforo e boro.

O material, conhecido como Metglas, foi comercializado no início dos anos 80 e usado para transformadores de distribuição de energia de baixa perda (transformador de metal amorfo). Metglas-2605 é composto por 80% de ferro e 20% de boro, possui temperatura Curie de 373 °C e magnetização de saturação à temperatura ambiente de 125,7 militeslas.

No início dos anos 80, lingotes vítreos com 5 mm de diâmetro foram produzidos a partir da liga de 55% de paládio, 22,5% de chumbo e 22,5% de antimônio, por ataque de superfície seguido por ciclos de aquecimento-resfriamento. Usando o fluxo de óxido de boro, a espessura alcançável foi aumentada para um centímetro.

A pesquisa na Universidade Tohoku e Caltech produziu ligas multicomponentes baseadas em lantânio, magnésio, zircônio, paládio, ferro, cobre e titânio, com taxa de resfriamento crítica entre -272,15 °C a -173 °C, comparável aos vidros de óxido.

Em 1988, as ligas de lantânio, alumínio e minério de cobre foram altamente formadoras de vidro.

Nos anos 90, no entanto, novas ligas foram desenvolvidas, formando vidros com taxas de resfriamento tão baixas quanto um kelvin por segundo.

Essas taxas de resfriamento podem ser alcançadas através de fundição simples em moldes metálicos. Essas ligas amorfas “a granel” podem ser fundidas em partes de vários centímetros de espessura (a espessura máxima dependendo da liga), mantendo uma estrutura amorfa.

As melhores ligas formadoras de vidro são baseadas em zircônio e paládio, mas também são conhecidas ligas à base de ferro, titânio, cobre, magnésio e outros metais.

Muitas ligas amorfas são formadas pela exploração de um fenômeno chamado efeito “confusão”. Tais ligas contêm tantos elementos diferentes (geralmente uma dúzia ou mais) que, ao resfriar a taxas suficientemente rápidas, os átomos constituintes simplesmente não conseguem se coordenar no estado cristalino de equilíbrio antes que sua mobilidade seja interrompida. Dessa maneira, o estado aleatório e desordenado dos átomos é “bloqueado”.

Em 1992, a primeira liga amorfa comercial, Vitreloy 1 (41,2% Zr, 13,8% Ti, 12,5% Cu, 10% Ni e 22,5% Be), foi desenvolvida na Caltech, como parte do Departamento de Energia e da NASA. novos materiais aeroespaciais.

Em 2004, dois grupos conseguiram produzir aço amorfo a granel, um no Laboratório Nacional de Oak Ridge e outro na Universidade da Virgínia. O grupo Oak Ridge refere-se a seu produto como “aço vítreo”.

O produto é não magnético à temperatura ambiente e significativamente mais forte que o aço convencional, embora um longo processo de pesquisa e desenvolvimento permaneça antes da introdução do material em uso público ou militar.

Fonte: www.sciencedirect.com/www.fedsteel.com/www.hitachi.com/www.hisour.com/www.chemeurope.com;www.coursera.org