Testowanie zaawansowanych materiałów metalicznych
W stanie stałym metale składają się z atomów o wysoce uporządkowanej strukturze krystalicznej. Jeśli jednak w procesie hartowania stopy metali są schładzane bardzo szybko, powstaje szkło metaliczne o nieuporządkowanej strukturze atomowej. Materiały te mogą być specjalnie formowane i wydajnie odlewane (na przykład mniej się kurczą), pod kątem indywidualnych zastosowań. Jednak w przypadku szkła metalicznego jedynym ograniczeniem jest to, że aby uniknąć krystalizacji, wymagana szybkość hartowania ogranicza osiągalne rozmiary próbek. W ramach finansowanego ze środków UE projektu VITRIMETTECH przeszkolono grupę młodych europejskich naukowców w zakresie najnowocześniejszych metod pracy ze szkłem metalicznym, zwłaszcza luzem, do zastosowań funkcjonalnych, biomechanicznych, chemicznych i konstrukcyjnych w miniaturowych częściach. Udało się zsyntetyzować materiały w dwóch ekstremalnych warunkach hartowania: ciśnieniowego odlewania przedmiotów o skomplikowanym kształcie, wykonanych ze stopu magnetycznego, oraz cienkich folii i szklistych nanoziaren połączonych szklistym „klejem” o grubości kilkuset nanometrów. Próbki wielkości od nanometrów do centymetrów Szkła metaliczne są wykorzystywane w zastosowaniach zależnie od konkretnego składu. Na przykład te na bazie żelaza i kobaltu są stosowane w urządzeniach elektromagnetycznych, podczas gdy te na bazie tytanu nadają się jako powłoki do implantów. Szkła metaliczne są z natury kruche, co oznacza, że mogą pęknąć pod wpływem intensywnych naprężeń i temperatury, które powodują tzw. pasma ścinające. VITRIMETTECH zbadał ich pochodzenie i dynamikę i stwierdził, że ich prędkość ślizgowa może być zmniejszona oraz że szkło może być odmłodzone poprzez mechaniczne zabiegi wpływające na jego mikrostrukturę, takie jak wysokociśnieniowe skręcanie lub kuleczkowanie (formowanie metalu przez bombardowanie go śrutem metalowym). Głównym celem projektu było lepsze zrozumienie właściwości mechanicznych materiałów ze szkła metalicznego, aby poprawić dostępność materiałów w obszarach, w których znajdują się one już na linii produkcyjnej (np. urządzenia magnetyczne). Celem było również zapoczątkowanie nowych dziedzin w chemii (np. katalizy i spektroskopii) oraz inżynierii elektrycznej i elektronicznej (np. części silników). Partner przemysłowy projektu – producent aparatów do odlewania ciśnieniowego – ma teraz możliwość opracowania maszyn do produkcji magnetycznych szkieł metalicznych o skomplikowanych kształtach. Naukowcom udało się również wyprodukować laminowany rdzeń transformatora dla opatentowanego silnika indukcyjnego. Ulepszono także recepturę stopu dla amorficznych i nanokrystalicznych miękkich magnesów do maszyn elektromagnetycznych, które wykazują lepsze właściwości magnetyczne względem materiałów podstawowych. Szkła metaliczne zastosowano też do produkcji nanoporowatego złota i srebra do zastosowania w utlenianiu metanolu oraz w alkalicznych ogniwach paliwowych. Livio Battezzati, koordynator projektu, podsumowuje: „przeprowadziliśmy przełomowe badania nad szkłami metalicznymi we wszystkich możliwych rozmiarach, od materiałów luzem po cienką folię, szkoląc jednocześnie grupę młodych badaczy, aby przenieśli nasze wyniki do przedsiębiorstw przemysłowych i tym samym poszerzyli ich potencjał innowacyjny”. Coraz większa wartość dla gospodarki europejskiej W nadchodzących dziesięcioleciach badania nad zaawansowanymi materiałami metalicznymi zwiększą wartość strategiczną i techniczną europejskiego przemysłu wytwórczego. Ulepszenia mogą skutkować zużyciem mniejszej ilości metali w bardziej inteligentny sposób, w połączeniu z lepszymi możliwościami recyklingu. Jak mówi prof. Battezzati: „choć szkła metaliczne nie zmienią bezpośrednio życia milionów ludzi, będą one miały wpływ na przemysłowe zastosowanie materiałów do wytwarzania ulepszonych produktów i nowych urządzeń. Ponadto dzięki wynikom projektu europejskie badania w tej dziedzinie znajdą się w światowej czołówce”. Zespół badawczy pracuje obecnie nad budową czujników chemicznych i urządzeń elektromagnetycznych z materiałów opracowanych w trakcie realizacji projektu. Partnerzy projektu prowadzą również szereg badań, w tym: dalsze badania nad wytrzymywaniem naprężeń rozciągających (ciągliwość) przez szkła metaliczne, lepsze zrozumienie dynamiki atomów w stanie szklistym i mechanizmu miejscowej korozji, a także poprawa właściwości magnetycznych.
Słowa kluczowe
VITRIMETTECH, metale, szkło metaliczne, stopy, materiały zaawansowane, elektromagnetyczne, pasma ścinające, kataliza, spektroskopia, silniki, korozja
