Kann man aus Metallen Glas herstellen? Sie werden sich nie vorstellen, wie diese Anwendung

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Yao Bingnan, Wang Junqiang (Ningbo Institut für Werkstofftechnik und -ingenieurwesen, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Was sind glasartige Materialien? Manche Leute sagen vielleicht, es ist nur eine Tasse und ein Fenster! Das stimmt, außerdem sind auch gewöhnliche Kerzen, Gummi, Glasfasern usw. glasartige Materialien. Was sind ihre Eigenschaften? Im Gegensatz zu kristallinen Materialien, bei denen die Atome ordentlich angeordnet sind, weisen diese Materialien eine Atomstruktur mit Fernunordnung und Nahordnung auf.

Schematische Darstellung des Atomaufbaus von Kristallen und Gläsern. Das linke Bild zeigt einen Kristall und das rechte Bild ein Glas.

(Bildquelle: Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Vergleicht man die Kristallstruktur mit einer geordneten Warteschlange, ähnelt die Glasstruktur eher einer Menschenmenge auf einem Straßenmarkt. Unordnung bringt unendliche Möglichkeiten hervor. Glasartige Materialien verfügen über eine Reihe äußerst wertvoller Eigenschaften, darunter Isotropie, Metastabilität, hohe Festigkeit, hohe Elastizität, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit usw. Gerade aufgrund dieser hervorragenden Eigenschaften werden sie nicht nur häufig im Bauwesen, in der Automobilindustrie, bei Haushaltswaren usw. verwendet, sondern sind auch ein Schlüsselmaterial in Spitzenbereichen wie der Informationskommunikation, der Luft- und Raumfahrt usw.

Die oben genannten glasartigen Materialien sind alle nichtmetallisch. Aber können die im täglichen Leben allgegenwärtigen Metallmaterialien zu glasartigen Materialien verarbeitet werden? Die Antwort ist ja. Bei diesem Material handelt es sich um metallisches Glas, auch amorphe Legierung genannt.

Amorphe Legierungen in verschiedenen Formen

(Bildquelle: Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Im Allgemeinen können wir die noch nicht kristallisierte Hochtemperatur-Metallschmelze, wie etwa Fe-basierte Legierungen, Co-basierte Legierungen, Fe-Ni-Legierungen usw., durch das Drehen eines Bandes schnell abkühlen, um metallische Glasmaterialien zu erhalten. Seine Mikrostruktur ähnelt nicht der von gewöhnlichen Metallen, bei denen die Atome ordentlich angeordnet sind, sondern der von Glas, bei dem die Atome chaotisch und ungeordnet angeordnet sind. Diese spezielle Struktur verleiht ihm viele einzigartige Eigenschaften, wie beispielsweise hervorragende weichmagnetische Eigenschaften, mechanische Eigenschaften, chemische Eigenschaften usw., sodass es in verschiedenen Bereichen wie Leistungselektronik, Informationskommunikation, Transport, Energie usw. eingesetzt wird.

Metallisches Glas hat eine hohe magnetische Sättigungsinduktionsintensität, eine hohe magnetische Permeabilität und eine geringe Koerzitivkraft. Daraus hergestellte elektronische Komponenten weisen eine miniaturisiertere und leichtere Struktur sowie geringe Verluste auf, was für die Energieeinsparung und Emissionsreduzierung von großer Bedeutung ist.

Elektronische Komponenten

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Beispielsweise kann metallisches Glas, das in Verteilungstransformatoren verwendet wird , die Leerlaufverluste im Vergleich zu herkömmlichen Materialien um 70–80 % reduzieren . Darüber hinaus können aus metallischem Glas auch Eisenkerne für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitsmotoren hergestellt werden. Insbesondere bei Mittel- und Hochfrequenzanwendungen steigt der Kernverlust herkömmlicher Siliziumstahlmotoren stark an. Nach dem Ersetzen durch metallisches Glas kann der Motorwirkungsgrad im Allgemeinen auf über 95 % oder sogar bis zu 98 % gesteigert werden, was offensichtliche Energiesparvorteile mit sich bringt.

Anwendung von metallischem Glas - Verteilungstransformator

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Mit dem Beginn der 5G-Ära spielt auch metallisches Glas eine wichtige Rolle.

Durch die Anwendung von metallischem Glas in der kabellosen Ladetechnologie und die Ausnutzung seiner hohen magnetischen Permeabilitätseigenschaften kann die Ladeleistung erheblich gesteigert werden . Dies liegt daran, dass in der inneren Struktur des Materials unzählige kleine Magnete verteilt sind, die wir magnetische Domänen nennen.

Die magnetische Domänenstruktur von metallischem Glas ist relativ regelmäßig, aber die magnetische Domänenstruktur von Kristallen ist nicht nur chaotisch, sondern weist auch unterschiedliche Richtungen auf. Bei Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes wirken die Korngrenzen des Kristalls wie eine Wand, die die Bewegung magnetischer Domänen behindert. Da metallisches Glas keine Korngrenzen, Versetzungen usw. aufweist , können sich darin leicht regelmäßig angeordnete magnetische Domänen über einen großen Bereich bilden, es reagiert empfindlich auf externe Magnetfelder und weist hohe magnetische Permeabilitätseigenschaften auf .

Daher ist das Hinzufügen von Metallglas zum kabellosen Laden mittels magnetischer Induktion wie das Hinzufügen eines Kondensators, um die ursprünglich im Raum divergierenden magnetischen Flusslinien zu konzentrieren. Die Empfangsspule empfängt mehr magnetische Signale und lädt schneller und effizienter.

Derzeit wird metallisches Glas erfolgreich in Mobiltelefonen, Smartwatches und Elektrofahrzeugen eingesetzt und ist zu einem der wichtigsten Materialien für die drahtlose Ladetechnologie geworden.

Kabelloses Laden für Elektrofahrzeuge

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Tatsächlich sind die Anwendungsmöglichkeiten von metallischem Glas nicht auf die oben genannten beschränkt. Gerade aufgrund seiner vielfältigen wunderbaren Eigenschaften übersteigen die „achtzehn Kampfkünste“, die dieses magische Material demonstriert, unsere Vorstellungskraft bei weitem.

Metallisches Glas hat eine hohe Festigkeit . Beispielsweise beträgt die Bruchfestigkeit von metallischem Glas auf Kobaltbasis bis zu 6,0 GPa, und die Bruchfestigkeit von metallischem Glas auf Eisenbasis kann 3,6 GPa erreichen, was ein Vielfaches der Bruchfestigkeit von normalem Baustahl ist.

Metallisches Glas weist eine hohe Elastizität auf und seine Elastizitätsgrenze ist um ein Vielfaches bis Dutzende Mal höher als die von allgemeinen kristallinen Legierungen. Der Schlagkopf eines Golfschlägers aus metallischem Glas auf Zirkoniumbasis kann fast 99 % der Energie auf den Ball übertragen und seine Schlagweite ist 1,3-mal größer als die eines gewöhnlichen Schlägers. Die hohe Elastizität von metallischem Glas kann auch zur Herstellung verschiedener Komponenten für die Raumfahrt genutzt werden , beispielsweise von harmonischen Getrieben, die als Untersetzungsgetriebe für die Gelenke von Roboterarmen in Raumfahrzeugen verwendet werden, und von elastischem porösem Metallkautschuk zur Stoßdämpfung.

Metallisches Glas ist ein funktionales Material, das zur Reinigung von Wasserverschmutzung, zur Speicherung von Energie und zur Entwicklung von Wasserstoff verwendet werden kann und somit eine neue Idee zur Lösung von Problemen wie Umweltverschmutzung und Energiespeicherung bietet. Beispielsweise können eisen-, magnesium- und aluminiumbasierte sowie andere metallische Gläser Azofarbstofflösungen zersetzen und ihre Verblassungsraten sind Dutzende oder sogar Tausende Male höher als die der entsprechenden kristallinen Legierungen. Aus metallischem Glas lassen sich durch Entlegierung nanoporöse Verbundstrukturen herstellen, wodurch die Transporteigenschaften von Ionen und Elektronen deutlich verbessert und letztlich die spezifische Kapazität erhöht werden. Dieses nanoporöse Material mit hoher Energiespeicherdichte soll als flexible, selbsttragende Superkondensatorelektrode eingesetzt werden. Metallisches Glas weist eine hohe katalytische Aktivität für die Wasserstoffentwicklung auf und ist eine ideale freistehende katalytische Elektrode.

Wirkungsdiagramm einer amorphen Legierung auf Aluminiumbasis, die Azofarbstofflösung abbaut

(Bildquelle: PP Wang, JQ Wang*, H. Li, H. Yang, JT Huo, JG Wang, C. Chang, X. Wang, RW Li, G. Wang**. Schnelle Entfärbung von Azofarbstoffen in alkalischen und sauren Lösungen durch Al-basierte metallische Gläser[J]. Journal of Alloys and Compounds, 701(2017)759-767.)

Metallisches Glas ist ein magnetisches Kühlmaterial mit einem breiten Betriebstemperaturbereich, großer magnetischer Entropieänderung und starker Kühlleistung. Beispielsweise kann ein neuer Typ magnetischen Kühlmaterials eine Kühlung von 50 K auf Raumtemperatur erreichen, mit einer Kühlkapazität von mehr als 1000 Jkg-1, und hat einen breiten potenziellen Anwendungswert in Kühlschränken, Gefrierschränken, Tiefkühlgeräten, Kryo-Elektronenmikroskopen und anderen Bereichen.

Schematische Darstellung magnetischer Kühlmaterialien aus metallischem Glas und ihrer potenziellen Anwendungen

(Bildquelle: JQ Feng, YH Liu, JH Sui, AN He, WX Xia, WH Wang, JQ Wang**, JT Huo*. Riesige Kältemittelkapazität in Gd-basierten amorphen/nanokristallinen Verbundfasern[J]. Materials Today Physics, 2021, 100528.)

Die Entstehung von metallischem Glas hat eine revolutionäre Bedeutung für das Gebiet der menschlichen Materialwissenschaften. Auch in Zukunft wird das Unternehmen in den Bereichen Energie, Leben und Gesundheit, Landesverteidigung und Rüstungsindustrie glänzen. Der Weg ist lang und beschwerlich, aber ich werde ihn überall suchen. Nur unermüdliche Anstrengungen können die unerschöpfliche Antriebskraft und langfristige Hoffnung für die kontinuierliche Entwicklung neuer Materialien in meinem Land bieten!

Quellen:

【1】Wang Weihua. Die Natur und Eigenschaften amorpher Materie[J]. Fortschritte in der Physik, 2013, 33(5): 177-351.