SOLIDOS AMORFOSPor

Claudia Andrade

Christian Contreras

Priscilla Contreras

Marcela Flores

Carolina García

ID 42A Ciencia de los Materiales II

Profesor Mauricio Pilleux

AGOSTO 1999

Indice

1. ¿Qué son los materiales amorfos?

1.1 Aspecto científico del material

1.2 Fundamentos Físicos del material

2. Métodos de Obtención de sólidos amorfos

3. Propiedades de los sólidos amorfos

3.1. Propiedades térmicas

3.2. Propiedades mecánicas

3.3. Propiedades elásticas

3.4. Propiedades magnéticas de aleaciones Pd-Ni-Fe-P

4. Aplicaciones

4.1 Aplicación Comercial

4.2 Aplicación Científica N°1

4.3 Aplicación Científica N°2

4.4 Aplicación en la Industria Eléctrica

4.5 Aplicación Magnética

5. Bibliografía

1. ¿Qué son los Materiales Amorfos?

Los materiales amorfos no son algo nuevo de nuestra vida diaria. La misión del Apolo recuperó uno de esos materiales desde la superficie lunar, que data de millones de años, por lo cual no nos debe extrañar que los hombres hayan podido crear materiales vítreos (principalmente de silicio) por cientos de años.

Surgirá aquí la pregunta de saber: ¿por qué hoy se habla tanto de estos materiales? Su respuesta radica en el estudio científico de los mismos, en las nuevas formas de obtención y en las considerables características y promesas tecnológicas, que en el futuro, prometen quizás un rol más protagónico en el desarrollo de materiales.

Quizás lo más importante de este tipo de materiales se pueden resumir en dos cosas:

1. Aspecto científico del material . Una gran diversidad de materiales pueden ser reconocidos como amorfos. Pero existe una gran discusión en la definición científica de los materiales amorfos y el conocimiento popular de este tipo de materiales. Existe una confusión entre la propiedad de ser amorfo y materiales amorfos por definición. El apodo de "amorfo" se asocia a una característica exclusiva del mundo de los vidrios, por eso suelen llamar a los materiales amorfos como vidrios. Mientras que otros critican esta visión, ya que sostienen que los vidrios son simplemente materiales transparentes ubicados en las ventanas.

2. Fundamento físico de estos materiales, es decir, sus propiedades físicas. Por ejemplo: su banda energética, sus propiedades eléctricas y magnéticas. Características que son únicas de ellos y no son claras en los sólidos cristalinos.

Profundizando estos dos aspectos de discusión, hoy en día podemos avanzar el mundo científico y, por supuesto, aprovechar su aplicación tecnológica.

Podemos expresar más científicamente, que los materiales amorfos son sustancias que al ser sometidas a experimentación, ponen de manifiesto: su resistencia a la fluencia, característica del estado cristalino (sin presentar una tendencia a asumir la forma geométrica de los cristales ya que presentan poca o ninguna organización estructural).

Sus moléculas están evidentemente distribuidas al azar y las propiedades físicas del sólido son idénticas en todas direcciones (isótropo). Ocasionalmente estas sustancias evidencian las propiedades elásticas de los cristales, por ejemplo en una escala considerable su expansión puede ser proporcional a la tensión aplicada. Frecuentemente, si una carga se aplica al material (aunque sea relativamente liviana) y por un intervalo razonable de tiempo, la sustancia desarrollará una deformación pseudo-permanente, es decir, fluirá como si fuera un líquido de viscosidad extremadamente alta. Cuando se les calienta, tales sustancias no evidencian un punto de fusión, aunque se ablandan

progresivamente, aumentando con relativa rapidez la tendencia a una deformación permanente bajo carga.

Los sólidos amorfos pueden ser considerados también como sustancias líquidas sobreenfriadas. En muchos casos pueden ser preparados del estado líquido por enfriamiento, aunque esto es a menudo difícil, debido generalmente a la inestabilidad térmica: las temperaturas necesarias para alcanzar un alto grado de fluidez. Una justificación de que se los considere como líquidos subenfriados se refiere al hecho de que sus características de flujo se pueden anticipar extrapolando los valores según la tendencia de la curva de viscosidad. En otras palabras, si un líquido puede ser enfriado rápidamente, sin que cristalice, su viscosidad tiende a aumentar hasta un valor muy elevado. Tan elevado que el flujo bajo una presión moderada puede volverse despreciable y difícil de medir experimentalmente.

Este tipo de materiales posee un alto grado de aleatoriedad. La gran pregunta es: ¿cuál es el tipo de desorden y magnitud de este tipo de material?

La aleatoriedad se puede caracterizar de distintas formas, por ejemplo: de acuerdo a la geometría del material, al spin, al desorden vibracional de los átomos. Este desorden lo podemos entender mejor al compararlo con la forma estándar de un cristal perfecto, en el que un grupo de átomos se encuentran arreglados como parte de un modelo periódico en tres dimensiones y de extensión infinita.

Con esta definición, para que un material sea considerado como un cristal imperfecto le bastaría ser simplemente finito, con claros defectos en su estructura geométrica como: vacancias, huecos intersticiales, dislocaciones atómicas, (de cualquier modo la forma de desorden concerniente a ellas son más drásticas por las pequeñas perturbaciones que se producen en su estructura, lo que veremos más adelante).

El desorden geométrico debido a la aleatoriedad es producto de la no-periodicidad de su estructura, es por esto que los materiales no presentan un orden de largo alcance. Estos materiales como lo mencionamos anteriormente presentan también una aleatoriedad en el sentido del spin y en su comparación con el spin de los cristales perfectos.

En cuanto a la vibración atómica podemos decir que al compararlo con un cristal perfecto (este concepto es solo válido a cero Kelvin), sabemos que ellos están afectos al movimiento aleatorio de sus átomos cerca de la posición de equilibrio destruyendo la perfecta periodicidad del cristal perfecto cuando es sometido a cualquier temperatura finita. Este desorden vibracional no se traduce en un completo desorden geométrico ..

En resumen podemos decir que los materiales amorfos no tienen periodicidad de largo alcance, pero si hay de corto alcance. El material amorfo más representativo es el vidrio. No debemos olvidar que los materiales amorfos pueden ser obtenidos mediante diversas técnicas (distintas proporciones de elementos constituyentes según los huecos intersticiales de los átomos de la estructura base).

Aunque estos materiales existen desde hace cientos de años, el estudio y desarrollo de ellos se considera reciente y su utilización se considera fundamentalmente porque es un material con buenas propiedades electromagnéticas entre otras y es económico

Esta interpretación de las estructuras de los sólidos amorfos, es confirmada por el examen el método de difracción de rayos x. Así pues, si un rayo de luz visible pasa a través de una lámina de vidrio, sobre cuya superficie se ha trazado un número relativamente grande de líneas paralelas, el rayo se desvía dependiendo del ángulo de desviación, de la distancia entre las líneas y del largo de onda de luz. Siendo así los rayos x de escala apropiada son capaces de determinar cuantitativamente la distribución de los átomos en la estructura de los cristales. Por ejemplo: el análisis con rayos x ha evidenciado también que los cristales se dividen en tres clases principales: los cristales nomopolares o covalentes, los cristales polares o heteropolares. Los estudios con rayos x dan espectros de difracción claros y preciso, lo que indica una orientación definida de los átomos o moléculas, los sólidos amorfos por su parte, dan normalmente espectros indefinidos, similares a los de los líquidos, lo que indica una distribución desorganizada, al azar, aunque en casos especiales se obtiene una evidencia de un arreglo parcial (ejemplo: espectro de fibra). El examen con rayos x se ha desarrollado como uno de los más importantes métodos de investigación de sustancias amorfas. Muchos sólidos cristalinos que se deforman reversiblemente, con pequeñas presiones, fluirán como los sólidos amorfos, con grandes presiones. (que se verá a continuación)

El grupo de substancias clasificadas como sólidos amorfos, incluye un número extraordinario de gran importancia técnica particularmente para la construcción. Muchos de ellos son mecánicamente resistentes, duros y extraordinariamente resistentes a la acción química y física, poseen propiedades elásticas valiosas.

2. Métodos de Obtención de Sólidos Amorfos

Por mucho tiempo se pensaba que sólo una pequeña cantidad de materiales podían ser preparados para formar sólidos amorfos, era común referirse a estas sustancias como "especiales", como " sólidos formadores de vidrios" (por ejemplo: óxidos de silicio y los polímeros orgánicos). Esta noción es errónea, y hoy se conoce como una propiedad universal de la materia , se le llama la capacidad o tendencia a formar sustancias amorfas. El estado de sólido amorfo es ubicuo.

La tabla 2.1 presenta un listado de sólidos amorfos con su respectivo tipo de enlace y la temperatura representativa de su transición a estado amorfo (ya que se trata de una vecindad de temperaturas más precisamente).

Tabla 2.1 Algunos sólidos amorfos, su tipo de enlace y su temperatura crítica de formación del amorfo.

Sustancia

Amorfa

Tipo de

enlace

Tg

(°K)

Sustancia

amorfa

Tipo de

enlace

Tg (°K)

SiO2

GeO2

Covalente Covalente Covalente

1430

820

Poliestireno

Se

Polimérico

Polimérico

370

310

Si, Ge

Pd0.4 Ni0.4 P0.2

BeF2

As2S3

Metálico

Iónico

Covalente

-

580

570

470

Au0.8 Si0.2

H2O

C2H5OH

Isopentano

Fe,Co,Bi

Metálico

Enlace de H

Enlace de H

Van der Waals

Metálico

290

140

90

65

-

La idea correcta (expresado pe por D. Turnbull en un paper en el año 1969) es el siguiente: "Probablemente todos los materiales pueden, si se enfrían con la suficiente rapidez y lejanía de la temperatura crítica, ser transformados en sólidos amorfos".

Este punto de vista ha sido ampliamente apoyado en los últimos años, por la gran variedad de materiales de los cuales se han obtenido sólidos amorfos. Evidentemente, la mejor muestra a la ubicuidad de este estado de la materia condensada son las aleaciones metálicas. Porque los metales tienden a ordenarse en estructuras simples (existen muchas maneras de estructurarse en cristales), la proliferación de aleaciones o vidrios metálicos muestra el importante desarrollo de la experimentación en este campo.

Tradicionalmente, los "formadores de vidrios" han sido materiales asociados con una clase de estructura molecular muy compleja, como los vidrios orgánicos compuestos por grupos de cadenas poliméricas. Los metales han sido estudiados por su simpleza y facilidad de generación de sustancias amorfas.

Existen varios métodos de obtención de ese tipo de material, pero el más antiguo y más usado hoy en día es el de la fundición templada. Este método tiene algunas variaciones que han llevado a otros métodos como son:

4.1. Templado al aire

4.2. Templado con líquido

4.3. Bloque congelador (en el que se distinguen el "splat-cooling" y el templado giratorio o extracción)

4.4. Evaporación

Figura 4.1 muestra una efectiva técnica conocida como "Melt - Spinning" (bloque congelador en un templado giratorio. Se basa en embutir una aleación fundida al rotor).

Esta técnica necesita de un alto rango de temperaturas para el enfriamiento y formar una aleación metálica. Un chorro de metal fundido es propulsado contra la superficie de un cilindro de cobre, el cual se encuentra en rápida rotación, lo que obliga al líquido a enfriarse (a temperatura ambiente o menor).

El metal líquido se convierte en una delgada cinta, aproximadamente 50 micrones de espesor (50 m = 0,05 mm). Si se trata de obtener un grosor mayor a este, sólo se logra un material policristalino. Como la cinta es muy delgada, sólo se logra un contacto ínfimo con la amplia superficie caliente, y como los metales se caracterizan por su la alta conductividad térmica, el líquido se enfría y solidifica extremadamente rápido. A una temperatura de 1000 °K, se alcanza un proceso de en milisegundos, es decir (dT/dt)= 106 K/s. La cinta sólida de aleación metálica amorfa es expulsada del rotor, como una cinta continua, excediendo la velocidad v= 1 km/min.

De este modo, la variable más importante en la obtención de un sólido amorfo será la velocidad. Otras variables importantes en este método son:

Velocidad de rotación del disco Recubrimiento y terminación de la superficie del disco Diámetro del chorro Geometría de la cinta y uniformidad, particularmente la suavidad de la superficie Naturaleza y presión del gas ambiental

Tan pronto como la temperatura del líquido baja de Tf (temperatura de fusión del material), llega al estado sólido y posterior cristalización. Pero la cristalización requiere de mucho más tiempo. Los centros cristalinos deben formarse (en un proceso llamado nucleación) y luego crecer y expandirse dentro de las interfaces líquido cristal. Cuando el líquido se enfría, puede adquirir una temperatura T< Tf , a lo largo de la trayectoria de v(t), la cual es suavemente continua, decreciente desde altas temperaturas.

A esta temperatura se puede decir que el líquido se ha sobreenfriado. (aún es un líquido y no un vidrio). Si se logra controlar la temperatura y alcanzar un T tal que Tf < T < Tg(temperatura de ebullición), antes de la cristalización la cual toma más tiempo para ocurrir, el líquido sobreenfriado se solidifica como el vidrio y se torna de una forma esencialmente de una estructura indefinida.

La formación de una aleación metálica amorfa o vidrio metálico, por consiguiente, es un estado de la materia anterior a la cristalización. El camino hacia el estado cristalino es posible ser evadido mediante el cruce rápido por el peligroso intervalo de temperaturas [Tf ,Tg ], asegurando la obtención de un sólido amorfo a una temperatura T< Tg. Fuera de este intervalo, el líquido se expone a la posible nucleación y crecimiento de los granos cristalinos.

Se aspira a una velocidad lo más alta posible. Este proceso debe ser "suficientemente rápido y lejano a su temperatura crítica". Lejano a su temperatura crítica quiere decir que el templado debe considerar valores menores a Tg y rápido significa que el líquido debe demorar un lapso mínimo de tiempo en cruzar la temperatura crítica y alcanzar su temperatura de estabilidad, para evitar la nucleación. Al contrario de la cristalización, la cual es heterogénea (paquetes de fase sólida aparecen abruptamente dentro del líquido y su posterior crecimiento a sus expensas), la transformación líquido-sólido amorfo ocurre homogéneamente dentro del material.

Esta transformación puede observarse en cualquier líquido que es adecuadamente sobreenfriado. Este proceso puede ser aún mucho más rápido para algunos materiales, como se muestra en la figura 1.3. Al contrario de 1 milisegundo que toma el templado de un vidrio metálico, el tiempo que tomó el templado de un vidrio silicato para formar un disco rígido del telescopio de Monte Palomar fue de 8 meses, correspondiendo a una velocidad v=3x10-5 K/s. Aunque es mucho más fácil preparar un material amorfo con una baja velocidad que una alta. Por este motivo, no es correcto referirse a la formación de vidrios sólidos amorfos (desde esta clasificación se extendería a todos los materiales), sino que al atributo o propiedad de la materia a poseer cierto grado de tendencia de formación de sustancias amorfas.

Las siguientes figuras ilustran esquemáticamente 4 técnicas para obtener sólidos amorfos, que difieren en los rangos de velocidad de templado utilizados. Estas técnicas no son fundamentalmente diferentes de las que son usadas para preparar estructuras cristalinas, el punto es simplemente las precauciones que se toman para conseguir el templado más rápido. Para materiales con alta tendencia a la formación de sólidos amorfos, la fundición puede ser detenida al enfriar lentamente al apagar el horno .

4.1. Templado al aire

4.2. Templado con líquido

4.3. Bloque congelador (en el que se distinguen el "splat-cooling" y el templado giratorio o extracción)

4.4. Evaporación

Figura 4.2. Método de enfriamiento dentro del horno, la fundición puede ser detenida al enfriar lentamente al apagar el horno.

Típicamente, el rango de enfriamiento es aprox entre [10-4, 10-1] K/seg. Los sólidos amorfos de esta categoría como lo muestra la tabla 1.1 son SiO2, As2S3 y poliestireno. Así, aunque el As2S3 cristalino es abundante en la naturaleza (que ha tardado mucho tiempo en producirlo) como el mineral oropimente, los cristales sintéticos no pueden ser preparados por medio de experimentos que empleen la fusión, debido a que requiere de mucho tiempo. La fusión siempre se solidifica en primera instancia en un sólido amorfo.

Los rangos algo rápidos son requeridos para templar vidrios, así como el selenio amorfo, un vidrio elemental compuesto de moléculas de largas cadenas de polímeros. Usando baños de hielo, templar un discreto volumen de fundido, como se indica en la siguiente figura, se produce en rangos del orden de [101, 102] K/seg. Al notar los resultados obtenidos por este método, se obtuvo también el vidrio metálico Pd-Ni-P incluido en la Tabla 2.1. Este tipo de sustancia tiene una tendencia suficientemente alta como para permitir la producción de un macizo, al igual que la obtención de la cinta continua mencionada anteriormente.

La técnica bosquejada en la siguiente figura es otro método para templar fundido, desarrollado específicamente para aleaciones metálicas. Este método es conocido como "Splat-Quenching" (ó "splat-cooling") y su experimentación arroja valores para la velocidad de templado en un orden de [105, 108] K/seg. El método es también conocido como "Hammer-and-Anvil" (yunque-y-martillo), que enfría el líquido destilado y golpea desde ambos lados al mismo tiempo, es usado para producir muestras de vidrios metálicos amorfos como la aleación Au-Si.

Antes de discutir la condensación de la fase vapor (figura de la siguiente página), es interesante mencionar de un método final para el templado de un líquido, el cual es más rápido que el "Splat-Quenching", llamada "Laser Glazing", el cual comienza con

una material en su forma cristalina. Con un corto e intenso pulso de la onda del láser, penetra el material fundiéndolo, cuya fina superficie absorbe la energía luminosa, y se templa rápidamente, resolidificando la parte externa del cristal. La pequeña y muy delgada región fundida y templada ha sido encontrada para ser un material amorfo, como es el caso de la silicona, un material normalmente obtenible en su forma amorfa mediante técnicas de condensación del vapor. Este método tiene una velocidad de templado de alrededor de [1010, 1012] K/seg.

Todos las estas técnicas de formación de sustancias amorfas cuentan con una velocidad inducida para acceder por la ruta N°2 de la Figura 1.1. En la Figura 1.4d , se muestra la última clase representativa de técnicas que poseen una gran efectividad en los rangos de alto templado. Esta técnica de "Condensación del Vapor", comienza cuando el flujo de vapor, formado dentro de una cámara de vacío mediante una fuente de evaporación térmica del material en cuestión, choca y se deposita en la superficie fría, formándose materia amorfa y se templa. Variaciones de este método pueden involucrar vaporización de la fuente por el uso de haces de electrones, o utilizando el bombardeo de iones. Otro método consiste en la descomposición inducida de plasma en una especie molecular, técnica desarrollada para depositar la silicona amorfa desde el vapor de SiH4.

Mediante esta técnica se preparan de Si, Ge, H2O, Fe, Co y Bi. Para los metales puros, se debe resguardar una temperatura baja, menor a 20 K.

Un resumen de varias técnicas de fundición templadas se dan en la tabla siguiente. Se han juntas para comparar con otro tipo de proceso , normalmente vistos como "recocido".

Tabla 2.1 Técnicas de templado y sus razones de enfriamiento características.

Técnica Razón de enfriamiento (K s-1)

Recocido

Espejo de telescopio grande 10-5

vidrio óptico 3 x 10-4

vidrio común 10-3 – 10-2

Templado al Aire 1 – 10

Templado con líquido 102 - 103

Bloque congelador

"splat-cooling" 105

templado giratorio, extracción 106 - 108

Evaporación 109

3. Propiedades de los Sólidos Amorfos

3.1. Propiedades Térmicas

El intervalo de temperatura T =Tx –Tg es la medida de estabilidad térmica de un liquido sobreenfriado, luego todas las aleaciones amorfas macizas son caracterizadas por grandes valores de T. Para todas las muestras de 10 mm de diámetro de aleaciones amorfas como Pd-Ni-P T fue >60 K, incluso llegando a 102 K cuando la composición era Pd40-Ni40-P20.

En el caso de los polímeros a temperaturas altas los polímeros se vuelven líquidos muy viscosos en los que las cadenas están constantemente en movimiento cambiando su forma y deslizándose unas sobre las otras. A temperaturas muy bajas, el mismo polímero serpia un sólido duro, rígido y frágil.

El polímero puede solidificarse como sólido amorfo o cristalino. Como se sabe los polímeros con fuertes irregularidades en su estructura tienden a formar sólidos amorfos y los polímeros con cadenas muy simétricas tienden a cristalizar, por lo menos parcialmente. Un polímero amorfo a temperaturas altas esta en forma de un liquido viscoso, y al enfriarlo, se vuelve cada vez más elástico hasta que llega a la temperatura de transición vítrea, Tg, se convierte en un sólido duro, rígido y frágil.

El estado vítreo lo alcanzan diferentes polímeros a diferentes temperaturas, los que sean más flexibles, con menos grupos voluminosos o con eteroátomos en sus cadenas, podrán girar o permanecer flexibles a temperaturas menores que los otros. Por ejemplo, los silicones, el polietileno y el hule natural tienen temperaturas de transición vítrea de -123, -120 y –73 °C respectivamente. En cambio, polímeros con grupos grandes o grupos muy polares o polarizables, tienen de por sí tan baja movilidad que son vítreos a temperatura ambiente y parar reblandecerlos se requiere de altas temperaturas.

3.2. Propiedades Mecánicas

El grupo de sustancias clasificadas como sólidos amorfos, incluye un número extraordinario de materiales de gran importancia técnica, particularmente para construcciones. Muchos de ellos son mecánicamente resistentes, duros, extraordinariamente resistentes a la acción química y física y poseen propiedades elásticas muy valiosas. Están incluidos el cuero, el caucho, todas las fibras textiles, celulosa y sus derivados, el vidrio, pinturas y barnices, resinas sintéticas y otros análogos. Por otra parte, no se debe inferir que todos los sólidos amorfos tienen las propiedades físicas deseables que caracterizan a las substancias recién enumeradas. Es indudablemente cierto que la gran mayoría de las sustancias amorfas son inútiles como materiales de construcción.

En los polímeros las propiedades mecánicas de los materiales amorfos tienen su origen y explicación en el origen de los mismos, dado que al formarse un polímero amorfo las cadenas se mueven menos y se contraen más, luego dado que va disminuyendo el volumen libre, es decir los espacios entre moléculas, los segmentos de las cadenas tienen cada vez menos lugares para girar hasta que al llegar a Tg dejan de hacerlo, el material se pone rígido y en estas condiciones se vuelve vítreo, es decir frágil, porque como sus cadenas aunque todavía vibran ya no pueden girar para cambiar de posición, y no tienen manera de amortiguar los impactos. A era restricción de movimiento molecular también contribuye por supuesto, la falta de suficiente energía debida a las bajas temperaturas.

3.3. Propiedades Elásticas

Entender las propiedades elásticas de un material es esencial para su aplicación en forma ingeneril. La disponibilidad presente de las aleaciones de vidrio macizo nos permite determinar sus propiedades elásticas usando un espectroscopio de ultrasonido resonante .

En esta técnica, el espectro de la resonancia mecánica de una muestra paralelepipeda es medido y luego comparado con un espectro teórico calculado para un set de constantes elásticas dadas. El verdadero set de constantes elásticas de rigidez son calculadas por un método de regresión recursiva, que optimiza la relación entre los dos espectros.

Una aleación de isótropo amorfo tiene solo 2 constantes elásticas de rigidez de segundo orden. Los módulos elásticos a temperatura ambiente para ciertas aleaciones de vidrios macizos se muestran en la Tabla 3.3.1.

En esta. tabla se registra también la densidad de algunos vidrios macizos, la cual fue medida usando el método de Arquímedes con etanol puro como fluido de inmersión. La ultima columna en la tabla registra la temperatura Debye de las aleaciones, deducida de las constantes elásticas y de la densidad calculadas a temperatura ambiente. Para la misma cantidad de Pd y P, los vidrios que contienen Ni tienen modulo de elasticidad y una temperatura de Debye levemente más elevadas que las correspondientes a un vidrio que contienen cobre.

La tendencia general en los datos de las temperaturas de Debye concuerdan con el hecho de que estas temperaturas de los elementos metálicos decrecen en el orden Ni a Cu y Cu a Pd.

Tabla 3.3.1

Muestra E

(GPa)

módulo de Young

(gr/cm3)

densidad

D (K)

Temperatura de Deybe

Pd25Ni57P18

Pd40Ni40P20

Pd50Ni34P16

Pd40Cu40P20

Pd50Cu30P20

Pd60Cu20P20

112

103

110

93

92

91

8,97

9,36

9,84

9,30

9,46

9,78

311

286

285

269

262

254

Ciertas sustancias amorfas que se encuentran en la naturaleza pueden ser usadas sin cambiar materialmente su estructura primaria. Tales como por ejemplo las fibras textiles: algodón, lino y lana. Ellas son generalmente purificadas, coloreadas y elaboradas mecánicamente en las formas deseadas con el menor cambio posible de su estructura física. Sin embargo, en la gran mayoría de los casos, las sustancias amorfas pueden sufrir un cambio en su plasticidad antes de estar en condiciones de ser trabajadas. Generalmente se las vuelve plásticas por algún cambio en su condición o constitución. Mientras están en este estado plástico, las sustancias son modeladas, se les da forma o se las trabaja y luego se hacen rígidas y resistentes por destrucción de plasticidad. Tan importantes son estos diferentes métodos de plastificar a las sustancias amorfas en su fabricación industrial que puede ser útil como base de clasificación de muchas industrias.

3.4. Propiedades Magnéticas de Aleaciones Pd-Ni-Fe-P

Las mediciones de la susceptibilidad magnética muestra que el vidrio macizo de Pd-Ni-Fe-P son vidrios torcidos bajo 30 K aproximadamente. La siguiente figura muestra la susceptibilidad de campo enfriado y la susceptibilidad de campo enfriado a 0 K para la aleación de un vidrio macizo amorfo original Pd40Ni22.5Fe17.5 P20 como una función de la temperatura. La susceptibilidad fue medida por un campo de 10 G. Las curvas de campo enfriado son reversibles, mientras que la otra curva no lo es. A cualquier temperatura constante bajo el 30 K la susceptibilidad en el estado de campo enfriado a 0 K es llevado hacia arriba con el incremento de la temperatura. Este cambio es irreversible.

Este diagrama muestra la aleación de Pd40Ni22.5Fe17.5P20.

La línea roja representa la susceptibilidad del campo enfriado a 0 K.

La línea azul representa la susceptibilidad del campo enfriado.

4. Aplicaciones de los Materiales Amorfos

La reducción en la simpleza y en los costos de elaboración unido a las ventajosas propiedades y aplicaciones de los metales amorfos, ha traído como consecuencia un creciente interés en el estudio de este tipo de materiales, a continuación se hace una breve descripción de algunas de sus aplicaciones:

4.1 Aplicación Comercial: Una de las primeras aplicaciones comerciales de los metales amorfos ha sido en la formación de cintas de materiales magnéticos blandos. Estas aleaciones ferrosas son químicamente distintas a las de los aceros convencionales en que el elemento aleante primario es el Boro en lugar del carbono. La ausencia de

fronteras de grano en este material responde a la facilidad de movimiento de las paredes de los dominios. Esto esta acoplado con una resistividad relativamente alta, lo que hace que estos materiales sean atractivos en aplicaciones como los núcleos de transformador. Además el material magnético blando proporciona una fuente mínima de pérdida de energía, debida a su pequeña área del ciclo de histéresis .

Figura 4.1.

Ciclo de histéresis para materiales magnéticos blandos y duros.

El área de un ciclo de histéresis ferromagnético representa la energía consumida al recorrer el ciclo. Además de ser deseable un área pequeña del ciclo, también es necesario una alta inducción de saturación (BS), para minimizar el tamaño del núcleo del transformador.

4.2 Aplicación Científica N°1: En el Laboratorio de Sólidos Amorfos de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires, bajo la conducción de Javier Moya, se crea una nueva generación de materiales magnéticos blandos - principalmente se presentan estudios, estructurales, magnéticos y mecánicos en una aleación nanocristalinas de composición Fe73.5Si22.5-xBxNb3Cu1 (x= 6, 8, 9, 10, 12) (FINEMET) con distintas temperaturas de recocido isotérmico que se desarrollan a partir de recocidos controlados de aleaciones amorfas metálicas.

Los materiales nanoestructurados deben su nombre a que poseen un tamaño de grano del orden de los nanometros y que, rodeados de una matriz de características amorfa, son la causa de las propiedades particulares que poseen, como ser la de un magnetismo extremadamente blando. Estos materiales, que parecen contradecir la clásica regla de la ingeniería de materiales magnéticos blandos que dice que estas propiedades magnéticas se deterioran a medida que decrece el tamaño de grano, fueron descubiertos por investigadores de la corporación HITACHI en el año 1988 y rápidamente ocuparon su lugar en la industria empleándolos en sensores o núcleos de transformadores a través de las empresas más innovadoras.

A pesar de la gran cantidad de estudios realizados y de aleaciones investigadas quedan aún muchos temas sin resolver –siendo uno de los principales problemas el frágil comportamiento mecánico que algunas aleaciones presentan- y continuamente se descubren nuevas propiedades y aplicaciones.

4.3 Aplicación Científica N°2: También en el Laboratorio de Sólidos Amorfos de la Universidad de Buenos Aires, pero bajo la supervisión de Fernando Enrique Audebert se hace un análisis estructural y de las propiedades mecánicas de un sistema metálico amorfo con base aluminio.

La obtención de una estructura amorfa por enfriamiento brusco a partir de determinadas aleaciones metálicas, trae como consecuencia que se presenten una combinación de propiedades superiores a su contraparte cristalina.

Con el objetivo de desarrollar aleaciones metálicas con una alta relación resistencia/peso y un buen comportamiento frente a la corrosión, se estudio el sistema Al-Fe-Nb con base Aluminio, obtenido por enfriamiento rápido desde el líquido. Para la

producción de las muestras se utilizó la técnica denominada "Melt-Spinning", que consiste en impactar un chorro de aleación líquida sobre una rueda de cobre que gira a alta velocidad. En dicho sistema se ha encontrado un pequeño rango de amorfización. El análisis estructural de estos vidrios se realizó mediante microscopía electrónica, difracción de rayos X, espectroscopía Mössbauer y calorimetría diferencial de Barrido.

Debido al tamaño y forma de las muestras, un mm. de ancho con espesores entre 20 y 30 µm, su comportamiento mecánico se evalúo mediante ensayos de microdureza y análisis fractográfico. El comportamiento frente a la corrosión en soluciones con cloruros, se estudio mediante la técnica potenciocinética. La superficie de las muestras poseen una capa de óxidos pasivantes que se forman durante el enfriamiento rápido al aire. La composición de los mismos, como la de los obtenidos en los ensayos en soluciones con cloruros, se estudiaron mediante espectroscopía de fotoelectrones.

Estas aleaciones, podrían utilizarse como superficies resistentes a la corrosión y al desgaste mecánico, siendo las industrias automotriz y aeronáutica las principales beneficiadas.

4.4 Aplicación en la Industria Eléctrica: En los Estados Unidos la empresa Allied-Signal fabricó núcleos magnéticos de una aleación metálica amorfa de Fe-B-Si para ser utilizados en los transformadores de la red de distribución eléctrica. Estos núcleos resultaron ser más eficientes magnetizando, el metal amorfo redujo las perdidas del transformador (de acero) en un 75%. Sin embargo el reemplazo se hace difícil ya que el metal amorfo es más delgado y frágil que los materiales actualmente utilizados.

4.5 Aplicación Magnética: Una aleación amorfa utilizada como fuente magnética es el Fe80B11Si9, que posee una gran estabilidad térmica, materiales con costos razonables y una inducción de saturación de 1.59 T como se muestra en la figura, a pesar de que la inducción de saturación es solo un 80% de lo que presenta el acero-silicio, utilizado mayoritariamente, el núcleo del metal amorfo genera solo 30% de las perdidas totales que genera el acero-silicio.

Figura 4.5 Gráfico inducción versus campo magnético.

Las líneas continuas son el metal amorfo Fe80B11Si9 de 30 m de espesor, y las punteadas de acero-silicio 0,28 mm de espesor.

En las aleaciones amorfas, principalmente ferrosas, la ausencia de fronteras de grano, permite que sea uno de los materiales fáciles de magnetizar y un movimiento más fácil de las paredes de los dominios. La alta resistividad y la ausencia de la anisotropía de los cristales también contribuyen a la movilidad de las paredes de los dominios. Todo esto hace que los metales amorfos sean una atractiva opción como material de los núcleos de transformadores. Algunos ejemplos de este tipo de materiales con su respectivas composiciones se muestran en la tabla.

Tabla 4.5 Algunas aleaciones ferrosas amorfas y sus composiciones.

Composición (% de peso)

B Si Cr Ni Mo P

20

10

28

6

10 6 40 6 14