Metallische Gläser

Dr. Ramona Langner, Stefan Reschke, Jürgen Kohlhoff, Dr. Matthias Grüne

Metallische Gläser sind eine schon länger bekannte Klasse von Werkstoffen, die jedoch bisher nicht zu breiterer Anwendung gekommen ist. Grund sind unter anderem die schwierigen Herstellungsbedingungen, die bisher nur die Produktion von dünnen Bändern und Folien erlaubten. Erst seit jüngerer Zeit gibt es vielversprechende Entwicklungen in der  Herstellung sogenannter massiver Metallischer Glaser (bulk metallic glasses, BMG), die in einigen Jahren zu neuen technologischen Anwendungen führen werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen kristallinen Legierungen sind metallische Gläser amorph, d.h. sie weisen keine geordnete periodische Struktur auf, was ihnen einzigartige Eigenschaften verleiht. So besitzen massive metallische Gläser oft eine enorm hohe Festigkeit, eine hohe Elastizität und eine gute Korrosions- und Verschleißbeständigkeit. Dank dieser Eigenschaften werden sie u.a. schon länger als Material für Sportartikel wie Golfschläger verwendet. Zusätzlich verfügen sie über gute weichmagnetische Eigenschaften und werden z.B. in Transformatoren oder zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung eingesetzt. Daneben ist mittlerweile auch eine Reihe hartmagnetischer Zusammensetzungen verfügbar. Bestimmte massive metallische Gläser, die Seltene Erden enthalten, weisen große magnetokalorische Effekte auf, wie sie für den Einsatz in Magnetkühlsystemen in Frage kommen. Durch eine flexible Variation von chemischer Zusammensetzung und Mikrostruktur können mechanische, magnetische und elektrische Eigenschaften neuartiger funktioneller Werkstoffe maßgeschneidert werden und bieten so Potenzial für vielfältige zukünftige Einsatzmöglichkeiten.

Die Herstellung massiver metallischer Gläser bereitete lange Zeit Probleme und verhinderte so eine breitere Anwendung. Meist findet sie durch Einfrieren metallischer Schmelzen statt, wofür zunächst enorm hohe Abkühlraten von 105-106 K pro Sekunde notwendig waren. Dadurch konnten aber nur Bänder und Folien geringer Schichtdicke hergestellt werden. Durch gezielte Veränderung der chemischen Zusammensetzung wurden die Glasbildungsfähigkeiten jedoch deutlich verbessert. So betragen die benötigten Abkühlraten in Legierungen mit vier oder fünf unterschiedlichen Metallkomponenten nur noch wenige K/s, womit Bauteilabmessungen von mehreren Zentimetern Dicke erreicht werden. Problematisch bleibt jedoch weiterhin, dass die Herstellung hohe Reinheitsgrade der Ausgangsschmelze benötigt, denn schon geringe Verunreinigungen mit Metalloxiden können zu einer unerwünschten Kristallisation führen.

Einen bedeutenden Fortschritt brachte zudem die Entwicklung metallischer Massivgläser mit sehr niedriger Glastemperatur. Diese beschreibt den Übergang vom elastischen, niedrig-viskosen Zustand der Schmelze zum festen, spröden Zustand des Glases und liegt bei einigen Zusammensetzungen bereits weit unterhalb von 100 °C. Dadurch können solche metallischen Gläser in Analogie zu Kunststoffen kostengünstig thermoplastisch verformt werden. Im Gegensatz zu letzteren verfügen sie aber bei Raumtemperatur über die typischen Eigenschaften einer metallischen Legierung, wie große Härte und gute elektrische Leitfähigkeit. Auf diese Weise geformte metallische Massivgläser kommen bereits als Gehäusematerial hochwertiger Mobiltelefone oder MP3-Player zum Einsatz. Aufgrund der größeren Festigkeit der metallischen Gläser können die Wandstärken der Gehäuse weiter reduziert werden, was Gewichtseinsparungen und größere Miniaturisierungsgrade ermöglicht.

Durch die fehlende Kristallisation kommt es nicht zu einer Schrumpfung des Formteils beim Abkühlen, was ein hochpräzises Formen des Werkstoffs erlaubt. Dadurch können metallische Gläser als Werkstoffe für nano- oder mikroelektromechanische Bauteile (NEMS/MEMS) eingesetzt werden. Einerseits kommen sie als Form- und Prägewerkzeuge in Frage, andererseits können sie auch selbst zu Nano- und Mikrostrukturen geformt oder geprägt werden. Die niedrige Glastemperatur ermöglicht es, die Prägung durch leichte Temperaturerhöhung wieder auszulöschen, sodass metallische Gläser als wiederbeschreibbare Speichermedien mit hoher Speicherdichte dienen könnten.

Ein weiteres großes Anwendungsfeld ist die Medizin. Hier werden metallische Massivgläser bereits als Materialien für Skalpelle eingesetzt, da sie zu besonders hoher Schärfe geschliffen werden können und diese dank ihrer Härte und Korrosionsbeständigkeit auch über einen langen Zeitraum beibehalten. Aber auch als Knochenimplantate könnten die Gläser in Zukunft zum Einsatz kommen. Legierungen auf Basis von Ca, Li und Mg sind beispielsweise durch ihre chemische Zusammensetzung günstig in der Herstellung und weisen eine geringe Dichte auf, verfügen zugleich aber über eine große Härte und Elastizität, die im Bereich menschlicher Knochen liegt. Eine ähnliche Einsatzmöglichkeit Mg-Zn-Ca-haltiger Legierungen sind biologisch abbaubare Schrauben, die nach einer Operation zur Fixierung von Knochen zum Einsatz kommen. Der relativ rasche und vollständige Abbau der Schrauben im Körper während des Heilungsprozesses würde dabei einen zweiten Eingriff zum Entfernen der Schrauben überflüssig machen.

Auch im Bereich der Energieversorgung könnten massive metallische Gläser zukünftig vermehrt zum Einsatz kommen, z.B. um Energieverluste in  Großtransformatoren zu minimieren.  Zudem besteht die Möglichkeit einer Verwendung metallischer Gläser auf Basis von Ca, Li und Mg als Wasserstoffspeicher z.B. für Brennstoffzellen, da gerade diese Elemente Wasserstoff gut binden und Hydride wie MgH2 bilden.

Eine große Einschränkung stellte bisher die geringe Bruchfestigkeit vieler metallischer Gläser dar, die zum Totalversagen eines Bauteils führen kann. Eine Lösung dafür bietet die Einbettung nanokristalliner Strukturen in metallische Gläser, entweder durch gezielte Teilkristallisation oder durch Zufügen kristalliner Metallpartikel. Auch Komposite aus Kohlenstoffnanoröhren in einer Matrix aus metallischem Glas zeigen verbesserte mechanische Eigenschaften und überraschenderweise auch eine enorme Fähigkeit zur Schwingungsdämpfung. Anwendungsmöglichkeiten beschränken sich hier noch auf Luft- und Raumfahrt sowie auf den militärischen Bereich, da solche Legierungen zumeist seltene und teure Elemente wie Palladium und Zirkonium enthalten. Doch es ist denkbar, dass in Zukunft Zusammensetzungen gefunden werden, die sich auch für allgemeine kommerzielle Anwendungen eignen.

Aufgrund oben genannter Hürden und Einschränkungen dieser innovativen Werkstoffklasse konzentrieren sich die Anstrengungen der Forschung überwiegend auf die Entwicklung der Legierungen selbst und weniger auf Verarbeitungsprozesse und mögliche Anwendungen. Doch ist zu erwarten, dass künftig Material- und Gestehungskosten niedrig genug werden, um auch größere Bauteile und damit weitere Einsatzmöglichkeiten von metallischen Massivgläsern zu erlauben.

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