شیشه فلزات را بشناسیم

شیشه فلزات دسته‌ای از فلزات هستند که دارای ساختار اتمی با نظم بلند دامنه نیستند. فلزات و آلیاژها، به طور معمول دارای ساختار اتمی منظم هستند اما این مواد آمورف (غیر کریستالی) هستند. بسیاری از مواد معمول مانند شیشه‌های اکسیدی (مانند شیشه‌های معمولی) و اغلب پلیمرها، آمورف هستند اما ساختار آمورف برای فلزات تا چندی پیش غیر عادی بود.

شکل ۱. مقایسه ساختار آمورف و کریستالی

مراحل ساخت شیشه فلزات

شیشه فلزات در اثر سریع سرد کردن (کوئنچ) مذاب فلز در دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) ایجاد می‌شوند. اولین بار این ماده در سال ۱۹۶۰ توسعه یافتند که سرعت سرمایش مورد نیاز به منظور تشکیل آنها حدود ۱ میلیون درجه سانتیگراد بر ثانیه بود. اما با انجام تحقیقات گسترده در این زمینه، شیشه فلزات بالک (BMG) توسعه یافتند که سرعت سرمایش مورد نیاز برای آنها ۱ تا ۱۰۰ درجه سانتی گراد بر ثانیه است.

شکل ۲. نمودار تشکیل ساختار آمورف و کریستالی

خواص و کاربرد شیشه فلزات

این ماده دارای استحکام بسیار بالا، مدول الاستیک بالا، مقاومت به خوردگی و خواص مغناطیسی بالایی هستند. مدول الاستیک این مواد مشابه فلزات کریستالی است اما استحکام تسلیم و سختی این مواد چندین برابر بیشتر از فلزات کریستالی است. اخیراً شیشه فلزاتی تولید شده ‌است که استحکام آن‌ها سه برابر آلیاژهای فلزی معمولی است. به دلیل استحکام به وزن زیاد این فلزات، از آنها به عنوان روکش‌های تلفن همراه و دوربین‌های دیجیتال استفاده می‌شود. علاوه بر این، از شیشه فلزات به عنوان الیاف تقویت کننده برای زمینه‌های کامپوزیتی و پلیمری استفاده می‌شود که استحکام تسلیم را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد.

اولین کاربرد این مواد در ساخت دسته گلف است. دسته گلف باید دارای دانسیته پایین، نسبت استحکام به وزن زیاد، مدول الاستیک کم و ضربه پذیری بالایی باشد. در مقایسه‌ای که بین دسته‌های گلف مختلف انجام شده است، نشان داده شد که دسته‌های گلف فولادی حدود ۶۰ درصد از انرژی ضربه را به توپ منتقل می‌کند. این مقدار برای دسته گلف تیتانیومی حدود ۷۰ درصد و برای دسته گلف از جنس شیشه فلزات به ۹۹ درصد رسیده است. از این رو، این ماده کاربردهای گسترده‌ای در ساخت وسایل ورزشی از جمله راکت‌های تنیس، میله دوچرخه، چوب بیس بال و کمان تیراندازی دارند.

شکل ۳. کاربرد شیشه فلزات در وسایل ورزشی

مواد آمورفی که تاکنون می‌شناختیم، عموماً هدایت الکتریکی خوبی ندارند اما این مواد هدایت الکتریکی خوبی دارند. این مواد از صافی سطح، شکل پذیری و قابلیت پرداخت سطحی بسیار بالایی نیز برخوردار هستند که آن‌ها را به گزینه مناسبی برای ساخت جواهرات تبدیل کرده است. از شیشه فلزات در هسته ترانسفورماتورها نیز به منظور کاهش اتلاف انرژی استفاده می‌شود.

شکل ۴. استفاده از شیشه فلزات در کاربردهای تزیینی و جواهرسازی

از دیگر خواص و مزایای این مواد زیست سازگاری و عدم حساسیت زایی این مواد است که برای کاربردهای پزشکی مانند ساخت ابزارهای جراحی و کاشتنی‌ها بسیار مناسب است. این مواد در مقایسه با فلزات کریستالی دارای ویژگی‌های زیر هستند:

•     زیست سازگاری بالاتر
•     استحکام بیشتر ( حدود دو برابر تیتانیوم و فولاد زنگ نزن)
•     نسبت استحکام به وزن بالاتر از تیتانیوم و فولاد زنگ نزن
•     مقاومت به سایش بالاتر
•     ضربه پذیری بیشتر
•     شکل پذیری بالاتر