Metal líquido

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Liquidmetal y Vitreloy son nombres comerciales de una serie de aleaciones metálicas amorfas desarrolladas por un equipo de investigación del Instituto Tecnológico de California (Caltech) y comercializadas por Liquidmetal Technologies . Las aleaciones Liquidmetal combinan una serie de características deseables de los materiales, incluyendo alta resistencia a la tracción , excelente resistencia a la corrosión , coeficiente de restitución muy alto y excelentes características antidesgaste, al mismo tiempo que pueden ser termoformadas en procesos similares a los termoplásticos . A pesar del nombre, no son líquidas a temperatura ambiente. ^[1]

El metal líquido se introdujo para aplicaciones comerciales en 2003. ^[2] Se utiliza, entre otras cosas, para palos de golf , relojes y cubiertas de teléfonos móviles .

La aleación fue el resultado de un programa de investigación sobre metales amorfos llevado a cabo en Caltech. Fue la primera de una serie de aleaciones experimentales que podían lograr una estructura amorfa a velocidades de enfriamiento relativamente lentas. ^{[ cita requerida ]} Los metales amorfos se habían fabricado antes, pero solo en lotes pequeños porque las velocidades de enfriamiento debían ser de millones de grados por segundo. Por ejemplo, los cables amorfos se podían fabricar mediante el enfriamiento por salpicadura de una corriente de metal fundido en un disco giratorio. Debido a que Vitreloy permitía velocidades de enfriamiento tan lentas, fue posible la producción de lotes más grandes. Más recientemente, se han agregado varias aleaciones adicionales a la cartera de Liquidmetal. Estas aleaciones también conservan su estructura amorfa después de un recalentamiento repetido, lo que permite que se utilicen en una amplia variedad de procesos de mecanizado tradicionales.

El metal líquido, creado por el Dr. Atakan Peker, contiene átomos de tamaños significativamente diferentes. Forman una mezcla densa con un volumen libre bajo. A diferencia de los metales cristalinos, no hay un punto de fusión obvio en el que la viscosidad baje repentinamente. El Vitreloy se comporta más como otros vidrios , en el sentido de que su viscosidad disminuye gradualmente a medida que aumenta la temperatura. A alta temperatura, se comporta de manera plástica, lo que permite controlar las propiedades mecánicas con relativa facilidad durante la fundición. La viscosidad impide que los átomos se muevan lo suficiente como para formar una red ordenada, por lo que el material conserva sus propiedades amorfas incluso después de ser moldeado con calor.

Las aleaciones tienen temperaturas de ablandamiento relativamente bajas, lo que permite la fundición de formas complejas sin necesidad de acabado. Las propiedades del material inmediatamente después de la fundición son mucho mejores que las de los metales convencionales; por lo general, los metales fundidos tienen peores propiedades que los forjados o forjados. Las aleaciones también son maleables a bajas temperaturas (400 °C o 752 °F para la formulación más temprana) y se pueden moldear . El bajo volumen libre también da como resultado una baja contracción durante el enfriamiento. Por todas estas razones, Liquidmetal se puede moldear en formas complejas utilizando procesos similares a los termoplásticos, ^[3] lo que hace que Liquidmetal sea un reemplazo potencial para muchas aplicaciones en las que normalmente se usarían plásticos.

Debido a sus estructuras no cristalinas ( amorfas ), los Liquidmetals son más duros que las aleaciones de titanio o aluminio de composición similar. Las aleaciones Liquidmetal basadas en circonio y titanio alcanzaron una resistencia a la fluencia de más de 1723 MPa, casi el doble de la resistencia de las aleaciones de titanio cristalino convencionales ( Ti
₆Alabama
₄V es ~830 MPa), y aproximadamente la resistencia de los aceros de alta resistencia y algunos materiales compuestos a granel de alta ingeniería (consulte la resistencia a la tracción para obtener una lista de materiales comunes). Sin embargo, los primeros métodos de fundición introdujeron fallas microscópicas que eran sitios excelentes para la propagación de grietas, lo que provocó que el Vitreloy fuera frágil como el vidrio. Aunque fuertes, estos primeros lotes se rompían fácilmente al ser golpeados. Los métodos de fundición más nuevos, los ajustes de las mezclas de aleación y otros cambios han mejorado esto. ^{[ cita requerida ]}

La falta de límites de grano contribuye a la alta resistencia a la fluencia (y, por lo tanto, a la resiliencia) que se exhibe. En una demostración, una esfera de metal que se dejó caer sobre acero amorfo rebotó significativamente más tiempo que la misma esfera de metal que se dejó caer sobre acero cristalino. ^[4]

La falta de límites de grano en un vidrio metálico elimina la corrosión en los límites de grano, un problema común en aleaciones de alta resistencia producidas por endurecimiento por precipitación y aceros inoxidables sensibilizados. Por lo tanto, las aleaciones de Liquidmetal son generalmente más resistentes a la corrosión, tanto por la estructura mecánica como por los elementos utilizados en su aleación. La combinación de dureza mecánica, alta elasticidad y resistencia a la corrosión hace que Liquidmetal sea resistente al desgaste.

Aunque a altas temperaturas la deformación plástica se produce fácilmente, casi no ocurre a temperatura ambiente antes de que se produzca una falla catastrófica . Esto limita la aplicabilidad del material en aplicaciones críticas para la confiabilidad, ya que la falla inminente no es evidente. El material también es susceptible a la fatiga del metal con crecimiento de grietas. Una estructura compuesta de dos fases con matriz amorfa y un refuerzo de fase cristalina dendrítica dúctil, o un compuesto de matriz metálica reforzado con fibras de otro material puede reducir o eliminar esta desventaja. ^[5]

Los metales líquidos combinan una serie de características que normalmente no se encuentran en ningún material, lo que los hace útiles en una amplia variedad de aplicaciones.

Uno de los primeros usos comerciales de Liquidmetal fue en los palos de golf fabricados por la empresa, donde el metal altamente elástico se utilizó en partes de la cara del palo. ^[6] Estos fueron altamente calificados por los usuarios, pero el producto fue abandonado más tarde, en parte porque los prototipos se rompieron después de menos de 40 golpes. ^[7] Desde entonces, Liquidmetal ha aparecido en otros equipos deportivos, incluidos los núcleos de pelotas de golf , esquís , bates de béisbol y sóftbol y raquetas de tenis . ^[8]

La capacidad de ser fundido y moldeado, combinada con una alta resistencia al desgaste , también ha llevado a que Liquidmetal se utilice como reemplazo de plásticos en algunas aplicaciones. ^[9] Se ha utilizado en la carcasa de las unidades flash USB "Cruzer Titanium" de SanDisk de último modelo , así como en su línea Sansa de reproductores MP3 basados ​​en flash , y en carcasas de algunos teléfonos móviles , como los productos de lujo Vertu , y otros productos electrónicos de consumo reforzados. ^{[ cita requerida ]} Liquidmetal se utilizó en el láser dental Biolase Ilase ^[10] y en el escáner de código de barras de anillo Socketmobile. Liquidmetal también se ha utilizado notablemente para fabricar la herramienta de expulsión de SIM de algunos iPhone 3G fabricados por Apple Inc. , enviados a los EE. UU. Esto lo hizo Apple como un ejercicio para probar la viabilidad del uso del metal. ^[11] Conservan una superficie libre de rayones por más tiempo que los materiales de la competencia, mientras que aún se fabrican en formas complejas. Las mismas cualidades lo hacen adecuado para su uso como recubrimientos protectores para maquinaria industrial, incluidas las tuberías de perforación de petróleo y los tubos de calderas de plantas de energía . ^{[ cita requerida ]}

También sustituye al titanio en aplicaciones que van desde instrumentos médicos y automóviles hasta la industria militar y aeroespacial. En aplicaciones militares, las barras de metales amorfos sustituyen al uranio empobrecido en los penetradores de energía cinética . ^[12] Se utilizaron placas de Liquidmetal en el conjunto de colectores de iones de viento solar en la sonda espacial Genesis . ^{[ cita requerida ]}

Bajo este nombre comercial se comercializan diversas aleaciones a base de circonio . A continuación se enumeran algunos ejemplos de composiciones, en porcentaje molar:

• Una aleación temprana, Vitreloy 1 : ^[13]

  Circonio : 41,2, berilio : 22,5, titanio : 13,8, cobre : ​​12,5, níquel : 10

• Una variante, Vitreloy 4 ( Vit4 ):

  Circonio : 46,75, berilio : 27,5, titanio : 8,25, cobre : ​​7,5, níquel : 10

• Vitreloy 105 ( Vit105 ): ^[14]

  Circonio : 52,5, titanio : 5, cobre : ​​17,9, níquel : 14,6, aluminio : 10

• Un desarrollo más reciente ( Vitreloy 106a ), que forma vidrio con un enfriamiento menos rápido:

  Circonio : 58,5, cobre : ​​15,6, níquel : 12,8, aluminio : 10,3, niobio : 2,8

• Apple Inc. adquirió una licencia perpetua y exclusiva para utilizar las tecnologías desarrolladas después de 2010 en electrónica de consumo. ^[15]
• Al Grupo Swatch se le concedió una licencia exclusiva para utilizar aleaciones Liquidmetal desarrolladas después de 2010 en sus relojes. ^[16]

• Sitio web oficial
• Descripción general de los metales amorfos
• NASA Spinoff 2004: Una aleación amorfa supera al acero y al titanio
• Otro artículo de la NASA sobre LiquidMetal
• Artículo de Caltech en Wayback Machine (archivado el 10 de diciembre de 2007)
• Demostración en video en vivo que muestra las propiedades elásticas de Liquidmetal