Kovy jako materiály jsou všude kolem nás, známe je již po dlouhá tisíciletí a jejich aplikace ve všech vědních disciplinách jsme dotáhli na neuvěřitelnou úroveň. Nicméně řada vlastností kovů zvláště mechanických může být překonána jinými materiály (slitiny-ocel, keramika atd.). Jedním z takových materiálů, který vychází z kovů jsou tzv. kovová skla. Kovová skla jsou také někdy označována jako amorfní kovy (anglicky se označuje jako "Metallic Glasses", v ukázkovém videu jako "Liquidmetal"), je nutné ale upozornit, že pojem "sklo" a "amorfní" není totéž. Kovová skla stále na svůj velký aplikační boom čekají, jejich mechanické vlastnosti jsou velice unikátní, ale jak se dovíme později schopnost připravit kusy větší než jednotky cm je velice složitá. Je možné, že spojení kov a sklo se může zdát netradiční, ale i tam je dnešní věda velice úspěšná ;-).
Jedním z prvních objevených zástupců kovových skel byla slitina Au75Si25 připravená v roce 1960. Jedná se tedy relativně o mladý obor studia materiálů. Dalšími chemickými složeními vhodnými pro přípravu kovových skel (závisí na složení) jsou slitiny např. Pd-Cu-Ni-P, Y-Sc-Al-Co, Zr-Ti-Cu-Ni-Be a mnoho dalších. Seznam, některých kovových skel spolu s jejich základními parametry je uveden v tab. 1.
Jak víme klasické kovy a slitiny, které známe z každodenního života jsou krystalické s čímž souvisí jejich mechanické vlastnosti. Všichni známe např. lití železa. Příprava kovových skel je založena na rychlém ochlazení taveniny (rychlosti chlazení >1000 000°C/s) na např. chlazených měděných blocích. Takto se získávají pásky kovových skel o tloušťce menší než mm. Dnes jsou již vyvinuty metody chlazení, které umožňují připravit "kousky" kovového skla o rozměrech v řádech několika centimetrů (obr. 1). Stojí za zmínku, že některá kovová skla mají velmi nízkou hodnotu Tg a lze je plasticky deformovat (tvarovat) například v horké vodě (Cu70Al10Cu20) nebo dokonce při pokojové teplotě (Zr-Cu-Ni-Al). Schopnost plastické deformace při pokojové teplotě se někdy označuje jako super plastické kovová skla. Tato vlastnost je zcela unikátní v tomto složení, neboť obecně mají kovová skla špatnou plasticitu a velice často jsou křehká. Kovová skla se také často dotují prvky vzácných zemin a i když se jedná o skla mohou vykazovat anizotropní chování při deformaci tlakem.
Jak jsme již poznamenali kovová skla jsou unikátní a zajímavá především svými mechanickými vlastnostmi, které můžeme shrnout v následujícím grafu (obr. 2). Vzhledem k tomu, že se jedná o skla nelze u těchto materiálů definovat nějakou krystalografickou rovinu skluzu. Jak je vidět na obrázku kovová skla jsou materiály s jedním z nejvyšším hodnot meze pružnosti, velice blízko teoretickým hodnotám. Mechanické vlastnosti závisí na kvalitě přípravy skla, a proto jakékoliv např. "bublinky", nebo inkluze vedou ke zhoršení mechanických vlastností. U kovových skel nedochází mechanickou prací za studena ke zvýšení meze elasticity ale naopak k jejímu poklesu. Mechanické vlastnosti lze shrnout to citace mého kolegy, cituji: "If you rank materials for how springy they are, metallic glasses are off the chart".
Unikátní mechanické vlastnosti lze demonstrovat na velice jednoduchém experimentu, který je ukázán na videu. Co na videu pozorujeme? Zleva doprava máme umístěné tři kovové podložky, nerez ocel, kovové sklo a titan. Na každou tuto kovovou plochu nasadíme skleněný tubus a pustíme kuličku a budeme pozorovat její odrazy na různých kovových plochách. Experiment nám ukazuje, že nejlepší "trampolína" je právě z kovového skla. Kulička je hozena z výšky větší než je omezená tubusem (jeho funkce je pouze vymezit prostor pro pohyb kuličky) a dokonce při prvním odrazu od kovového skla se vrátí do pozice vysoko nad úrovní tubusu.
Po shlédnutí videa si může čtenář sám odpovědět na následující otázky:
Jedním z prvních objevených zástupců kovových skel byla slitina Au75Si25 připravená v roce 1960. Jedná se tedy relativně o mladý obor studia materiálů. Dalšími chemickými složeními vhodnými pro přípravu kovových skel (závisí na složení) jsou slitiny např. Pd-Cu-Ni-P, Y-Sc-Al-Co, Zr-Ti-Cu-Ni-Be a mnoho dalších. Seznam, některých kovových skel spolu s jejich základními parametry je uveden v tab. 1.
Tab. 1. Seznam kovových skel, různého složení spolu s uvedenými parametry, ρ - hustota (g.cm-3), Y - Youngův modul, G - modul pružnosti ve smyku, B - objemový modul, ν - Poissonův koeficient, σy - mez pružnosti (elasticity), Tg - teplota skelné transformace a W/Ω - potenciální energie spojená s plastickou deformací. Složení je uvedeno v atomárních procentech. Převzato z M. Chen, Annu. Rev. Mater. Res. 38 (2008) 445.
 |
 |
| Obr. 1. Jelikož se kovová skla připravují z taveniny je možné na rozdíl od kovů vytvářet velice komplikované tvary. Na obrázku je příklad skla na bázi Zr-Ti-Cu-Ni-Be. Převzato z J. Schroers a kol. Mater. Today 14 (2011) 14. |
 |
| Obr. 2. Závislost σy na Y pro 1057 kovových sloučenin, slitin a kovových skel. Převzato z A. L. Greer, Mater. Today 12 (2009) 14. |
Po shlédnutí videa si může čtenář sám odpovědět na následující otázky:
- Kovová skla mají oproti oceli:
- Vyšší elastickou energii (čemuž namáhá nižší hodnota Y)
- Nižší elastickou energii (čemuž namáhá vyšší hodnota Y)
Jaké jsou aplikace kovových skel?
Z kovových skel se mohou vyrábět nano-předlohy (~10 nm) pro "tiskové" litografické procesy, kovová skla kromě lepších mechanických vlastností jsou lépe kompatibilní s lidskými kostmi než současné slitiny a kovy, dokonce některá složení mohou být přirozeně vstřebána tělem a nahrazena lidskou tkání, tj. podléhají dobře biodegradaci a hodí se tedy pro např. šrouby apod. Dobré bio-kompatibilní materiály se rozpouští rychlostí cca 1 milimetr za měsíc (obsahují, Zn, Mg, Ca).
Kovová skla mohou být použita dále v přesných měřidlech tlaku, průtoku. např. různé mikro-pružinky. Jestli si dobře pamatuji tak právě pohyblivá část u vibrace mobilních telefonů je z kovového skla. Zajímavé jsou např. aplikace ve sportu, asi všichni si dokážeme představit kam by byl Tiger Woods schopen odpálit golfový míček za použití hole, kde styčná plocha je pokryta kovovým sklem. Předpokládám, že v tomto případě by 18 jamek muselo zabrat mnohem více místa. Takovéto golfové hole jsou na turnajích samozřejmě zakázané
Některá kovová skla např. na bázi Pt-Cu-Ni-P mohou být využity jako katalyzátory (např. oxidace ethanolu), kde se uvádí, že po 1000 cyklech je jejich učinnost až 2,4 lepší než tradičního Pt katalyzátoru [M. Carmo a kol. ACS Nano 5 (2011) 2979]. Vyšší účinnosti je mimo jiné dosaženo přípravou kovového skla do tvrau nano drátů, čmž dochází k nárustu speccifického povrchu. Jinou oblastí je například aplikace v MEMS, tj. Micro-electro-mechanical systems. V neposlední řadě lze z taveniny připravit různé nano- a mikro-součástky (obr. 4).
 |
| Obr. 4. Ukázka výlisků kovových skel, pinzety (nahoře vlevo), ozubené kolo (nahoře vpravo), skalp (dole vlevo) a membrána (dole vpravo). Převzato z G. Kumar, Nature 457 (2009) 868. |
Závěrem bych rád dodal, že jsme se nedotkli řady dalších unikátních vlastností objemových skel, mezi asi ty nejzajímavější může patřit atomární struktura a např. její změna při deformaci. Pokud někoho tato oblast zajímá doporučuji přečíst Y. Q. Cheng, Prog. Mater. Sci. 56 (2011) 379.
Na úplný závěr bych už jenom: kovová skla se opravdu nehodí na neprůstřelné vesty !
0 comments:
Okomentovat