Metais Amorfos: Propriedades e Aplicações

Publicado por Materiais Júnior em maio 6, 2021maio 6, 2021

O que são os metais amorfos?

Os metais amorfos surgiram por volta da década de 70, com a descoberta de que os metais no estado sólido poderiam manter a sua estrutura (in)definida do estado líquido. Isto é, no processo de solidificação, a estrutura desordenada pertencentes aos líquidos – que  apresentam uma aleatoriedade no arranjo atômico – poderia ser congelada em altas temperaturas e mantida até o fim do desenvolvimento do sólido metálico, fazendo com que estes não apresentem cristais estruturalmente. Os cristais, da perspectiva química e microestrutural, são basicamente conjuntos de átomos que se organizam periodicamente por todo o interior do material apresentando um certo padrão de simetria em grandes distâncias na construção da rede cristalina.

As posições destes conjuntos juntamente com a forma que interagem entre si através das ligações químicas, é o que determina as propriedades e comportamentos que o material agrupará. 

Uma vez que esses materiais possuem estrutura diferente da maioria dos metais que são cristalinos, isso implica em características e propriedades inovadoras das quais comumente não são encontradas nos materiais metálicos e em suas ligas em geral. 

A estrutura amorfa que os formam, faz com essa subcategoria metálica seja conhecida popularmente como metal líquido e até vidro metálico, já que os vidros exibem o mesmo caráter estrutural amorfo. 

A organização dos átomos nas estruturas Monocristalinas, Policristalinas e Amorfas.

Conheça mais sobre os vidros e suas aplicações clicando aqui.

Quais são as propriedades dos metais amorfos?

Os metais amorfos não cristalinos detêm destaque em propriedades mecânicas como elevada resistência mecânica e alta resiliência, o que, por consequência, resulta em um elevado módulo elástico e também elevada dureza. 

O conjunto que se têm com estas propriedades sendo classificadas como elevadas, implica que os metais amorfos possuem considerável deformação elástica, na qual, condiz que componentes e produtos feitos a partir deste tipo de material, se tornem mais rígidos e capazes de serem submetidos a altas tensões, a  deformar, e logo em seguida a retornarem para seus respectivos formatos iniciais, absorvendo grande parte da energia elástica resultante dos esforços que lhe são aplicados, e fazendo com que tais fiquem isentos de deformações permanentes.

Outro benefício dado, é que a origem de trincas e fraturas decorrentes de solicitações de tração, de compressão e de esforços penetrantes, são dificultados.

Uma boa característica que essas espécies metálicas também reúnem é a alta resistência à corrosão, devido os metais amorfos serem normalmente ligas ao invés de metais puros. Como as ligas abrigam átomos de natureza poucamente distinta em seu interior, mas com diferenças significativas nos seus referentes tamanhos, o resultado leva a um baixo volume livre na estrutura – onde, portanto, provoca um maior grau de viscosidade contraposto a outros tipos de metais e ligas – no estado fundido. A alta viscosidade impede que os átomos tenham a mobilidade necessária para que se forme uma rede organizada e simétrica em grandes distâncias. 

Logo, se uma rede ordenada não é formada, não haverá também a formação do que é conhecido como limite de grãos, que basicamente, é a fronteira que separa dois cristais de um grão policristalino (conjunto de inúmeros cristais). 

O ataque corrosivo é mais eficaz e compromete primeiro estes limites de grãos, dessa forma, com a sua ausência, o desgaste consequente da corrosão se torna mais suportável.

Como são processados?

Para que os metais alcancem a estrutura vítrea, é necessário que no seu processamento ocorra a limitação e impedimento da formação da estrutura atômica ordenada que origina cristais. Para isto, é primordial que não se proporcione condições no processo de solidificação, que do ponto de vista termodinâmico, estas variáveis são, tempo e temperatura ideal. 

Em outras palavras, a taxa de resfriamento que passa pela temperatura de fusão (Tf) do metal deve ser extremamente alta, ou seja, reduções bruscas de temperaturas em um curto intervalo de tempo, resultando em uma “solidificação prematura”, já que este intervalo tomado para a formação do sólido é menor e não suficiente para que os átomos tenham condição de se arranjar periodicamente no espaço tridimensional do interior do metal. 

As taxas de resfriamento para se processar alguns metais amorfos, podem chegar até ordem de 1 000 000 °C/s (um milhão de graus Celsius/segundo). 

Existe um fator utilizado para estudar os metais amorfos que é conhecido como TFA (tendência à formação amorfa), que do enfoque termodinâmico, se baseia basicamente na força motriz necessária para a cristalização do líquido super-resfriado, ou seja, para uma TFA alta, tem-se que a força motriz para a cristalização é baixa. 

Traduzindo, a TFA alta, implica que certos sistemas metálicos possuem mais facilidade na formação da estrutura vítrea. 

Tipo e Aplicações

Artigos esportivos

Os metais amorfos são muito empregados na confecção de artigos esportivos como tacos de beisebol, de golfe e raquetes. Pensando no desempenho em que esses equipamentos devem ter e também a sua propriedade chave, todos partem do mesmo princípio que é, servir para rebater algum objeto lançado (bolas dos respectivos esportes, nesse caso). 

Tendo isto em mente, é interessante que esses equipamentos tenham uma boa capacidade de absorção de energia e que sejam altamente elásticos com elevada resistência.

Como descrito anteriormente, os metais amorfos em geral, reúnem todas essas características e possuem destaque na principal propriedade que os artigos esportivos citados necessitam, que é a considerável resiliência.

O resultado é a beneficiação dos atletas, na qual se exige menos força para o manuseio destes equipamentos, evitando também possíveis lesões, já que o material que os compõem é quem mais absorve toda a energia quando a bola é rebatida. 

Metais amorfos podem ser usados em tacos de beisebol. Fonte

Transformadores

Os vidros metálicos são susceptíveis a ação magnética, apresentam baixa coercividade e elevada resistência elétrica. 

A ação destas propriedades deriva que esses materiais sejam muito aplicados na produção de núcleos magnéticos de transformadores, onde desempenham baixas perdas por correntes parasitas quando submetidas a campos magnéticos alternados.

Outra ação importante para esta aplicação, é que transformadores fabricados com esses metais – que são facilmente magnetizados e desmagnetizados – impactam positivamente na economia de energia, o que, por sua vez, também reduz a emissão de CO2.

Para a produção dessas componentes, é utilizado ligas a base de boro, silício, fósforo junto a outros representantes de metálicos como ferro, cobalto e níquel.

Saúde

Metais líquidos estão sendo largamente aplicados também a produção de bisturis – principalmente os utilizados na oftalmologia – devido à sua elevada dureza mais evidente do que os feitos de aço inoxidável.

Devido também à sua biocompatibilidade, alta resistência, peso relativamente baixo e a boa resistência ao desgaste, estudos apontam possíveis premissas desses metais no mercado dos implantes e próteses.

Outras aplicações dos Metais Amorfos

Muitas são as outras aplicações como na área militar, aeroespacial, joias e revestimento para outros materiais que servem como uma espécie de camada protetora e afins. Um empecilho que impede a maior aplicação desses materiais são as condições de seu processamento, o que limita a produção de diferentes formatos e dimensões que “escapem do padrão”. Portanto cabe à nós, cientistas que estudam e trabalham com materiais e suas propriedades, materializar uma solução para este impasse.

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