شیشه فلزی (شیشه فلزی حجیم / فلز مایع) نوع جدیدی از فلزات بی شکل با ویژگی های منحصر به فرد است. فلز بی شکل معمولی را فقط می توان برای ساخت اقلام نازک و کوچک استفاده کرد زیرا در غیر این صورت متبلور شده و به صورت کریستالی در می آید، مگر اینکه به سرعت از حالت آلیاژ مذاب سرد شود. شیشه فلزی، با این حال، حتی اگر به آرامی از حالت آلیاژ مذاب سرد شود، بدون تبلور جامد می‌شود، بنابراین می‌توان محصولات حجیم نسبتاً بزرگی تولید کرد که دامنه کاربردهای صنعتی را گسترش می‌دهد. علاوه بر این، شیشه فلزی دارای چندین ویژگی مکانیکی عالی مانند استحکام بالا، مدول یانگ کم، قابلیت انتقال بالا و مقاومت در برابر خوردگی عالی است. استفاده از این ویژگی ها کاربرد در زمینه های مختلف مانند قطعات با دقت بالا، اجزای بیرونی، حسگرها، فنرها، تجهیزات ورزشی و مواد زیستی را ممکن می سازد
.
تفاوت در آرایش اتمی بین فلز معمولی و شیشه فلزی
در ادامه یک فیلم از شیشه فلز پایه کبالت آورده شده که شما رو به تماشای اون دعوت میکنم:؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟
تاریخچه شیشه های فلزی حجیم
اولین شیشه فلزی حجمی که در تاریخ یافت شد، آلیاژی بود که توسط W. Klement (Jr.)، Willens و Duwez در سال 1960 در Caltech تولید شد. با این حال، سرعت خنک کنندگی بالای این فرآیند منجر به نقص برد کاهش یافته شد. از اشکالی که می توان در آنها BMG تولید را کرد باید آنهایی انتخاب میشدند که ضخامت بسیار محدودی داشتند (نمونه ها دارای ضخامت کمتر از صد میکرومتر بودند). تحقیقات ادامه یافت و در سال 1976 H. Liebermann و C. Graham روش جدیدی را برای ساخت نوارهای نازک از فلز بی شکل با آلیاژی از آهن، نیکل، فسفر و بور توسعه دادند که نام آن Metglas بود. در آغاز دهه 1980، شمش های شیشه ای با قطر 5 میلی متر از آلیاژ 55 درصد پالادیوم، 22.5 درصد سرب و 22.5 درصد آنتیموان تولید شد. بین سال‌های 1988 و 1992، مطالعات دیگر چندین آلیاژ شیشه‌ای را با یک انتقال شیشه‌ای و یک ناحیه مایع فوق‌خنک کشف کردند. از این مطالعات، آلیاژهای شیشه شل La، Mg و Zr ساخته شدند و این آلیاژها حتی زمانی که ضخامت شبکه آنها از 20 میکرومتر به 50 میکرومتر افزایش یافت، انعطاف پذیری از خود نشان دادند. قابلیت خمش این آلیاژها در مقایسه با فلزات آمورف گذشته که در آن ضخامت ها شکننده می شدند، تفاوت آشکاری داشت.
در دهه 90 قرن گذشته آلیاژهای جدیدی ساخته شدند که قادر به تشکیل شیشه با سرعت خنک سازی برابر با یک کلوین در ثانیه بودند. این آلیاژهای آمورف "سست" را می توان در قسمت هایی با ضخامت تا چند سانتی متر ذوب کرد (حداکثر ضخامت می تواند بسته به آلیاژ متفاوت باشد) و ساختار بی شکل را حفظ می کند. بهترین آلیاژها برای تشکیل شیشه بر پایه زیرکونیوم و پالادیوم هستند. بسیاری از آلیاژهای آمورف با بهره برداری از پدیده ای به نام اثر "آشفتگی" به وجود می آیند: پس از سرد شدن در سرعت های کافی بالا، اتم ها قبل از اینکه تحرک آنها قطع شود، نمی توانند در حالت کریستالی تعادل هماهنگ شوند- به این ترتیب ما مداخله می‌کنیم تا حالت بی‌نظمی تصادفی اتم‌ها را مسدود کنیم و ویژگی‌های متفاوتی به دست آوریم.
در سال 1992، آلیاژ تجاری آمورف Vitreloy 1 در Caltech به عنوان بخشی از بخش انرژی و تحقیقات ناسا برای مواد جدید هوافضا توسعه یافت. در سال 2018، تیمی از آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC، موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) و دانشگاه نورث وسترن در مورد استفاده از هوش مصنوعی برای پیش‌بینی و ارزیابی نمونه‌های 20000 آلیاژ شیشه‌ای فلزی مختلف در یک سال گزارش دادند. روش های آنها نوید تسریع تحقیقات و زمان را برای بازار آلیاژهای فلزات بی شکل جدید می دهد.
ویژگی های برتر شیشه متالیک: انتقال با دقت بالا
هنگام خنک شدن از حالت مایع، انقباض انجماد رخ نمی دهد و به حالت غیر کریستالی تبدیل می شود.
دقت ابعادی خوب و دقت انتقال قالب گیری بالا
نمودار بالا رابطه بین دما و حجم شیشه فلزی را نشان می دهد: خط قرمز: شیشه متالیک، خط آبی: فلز معمولی
هنگام خنک شدن از حالت مایع، فلز معمولی تحت انقباض انجمادی همراه با تبلور قرار می گیرد که منجر به کاهش حجم می شود. شیشه فلزی اما در حالت غیر کریستالی جامد می شود، بنابراین می توان حجم قالب را به طور کامل در فلز منجمد شده ایجاد کرد و قطعات را با دقت ابعادی بالا ساخت و الگوی پردازش شده روی سطح قالب به طور کامل بر روی سطح ریخته گری منتقل می شود.(طبق شکل زیر)
مقاومت در برابر خوردگی شیشه های فلزی
فلز معمولی دارای مرزهای دانه هایی است (که در شکل پایین نشان داده شده است) که می تواند نقطه شروع خوردگی باشد. شیشه فلزی، با این حال، مرز دانه ندارد و یک فیلم غیرفعال پیوسته روی سطح تشکیل می شود. بنابراین، حتی در محیط های سخت به راحتی خورده نمی شود.
خواص فیزیکی یک نوع از شیشه فلز
Item (unit)
Zr-BMG physical properties Composition(wt%): Zr67.02Cu25.46Ni3.92Al3.60 (at%): Zr55Cu30Al10Ni5
Density [g/cm3]
6.8
Tensile strength [MPa]
1620
Vickers hardness [Hv]
520
Young's modulus [GPa]
81
Poisson's ratio
0.34
Resistivity [μΩ・cm 80℃]
180 - 210
Magnetic susceptibility [μemu / (g･Oe) 20℃]
1.2 - 1.5
Melting point [℃]
890
Glass-transition temp. [℃]
410
Thermal expansion coefficient (E－6/℃)
10.9
Thermal conductivity [W/(m･K)]
5.5
Specific heat [kJ/(kg･K)]
0.33
جریان فرآیند شیشه فلزی
شیشه فلزی با قالب گیری تزریقی تولید می شود که در آن آلیاژ ذوب شده و به قالب تزریق می شود.
عملیات سطحی شیشه فلزی
شیشه های فلزی وقتی اکسید می شوند به رنگ آبی تیره تبدیل می شوند و یک لایه سخت روی سطح تشکیل می شود که حتی در برابر خراش مقاوم تر می شود. رنگ شیشه متالیک نیز با اعمال پوشش IP، پوشش DLC و ... قابل تغییر است.
انتظار می‌رود شیشه‌های فلزی به دلیل ویژگی‌های برتر مانند استحکام بالا، قابلیت انتقال دقیق قالب، مقاومت در برابر خوردگی و انعطاف‌پذیری در زمینه‌های مختلف از جمله چرخ دنده میکرو قابل استفاده باشند.
در ادامه چند تا از شیشه فلزهای معروف را به همراه ترکیب شیمیایی آنها در جدول زیر گرد اورده ایم:
منابع: