Circuito con 17 Memristores capturada por un microscopio atomic force

El Memristor es llamado informalmente el cuarto elemento faltante básico de la electricidad, los primeros tres son el resistor, la inductancia y la capacitancia. La importancia de los Memristores es que funcionan como synapses,  el remplazar a los transistores clásicos de la electrónica por Memristores puede llevar a la creación de circuitos analógicos que podrían pensar como el cerebro humano.

Memristor – ¿Como funcionan?

En 1996, Stanley Williams de Hewlett Packard, comenzó a realizar estudios sobre arquitecturas para computadoras que no fueran susceptibles a defectos a escala nano. Esta investigación eventualmente llevo al equipo al desarrollo de los Memristores

El concepto general es una matriz de cables (conductores), entre cada par de conductores de toda la matriz, existen llaves (interruptores) que en primera instancia se encuentran abiertos. Si conectamos una fuente de alimentación entre un par de conductores, al principio esta disposición no almacena o posee información alguna

Pero si empezamos a cerrar algunos de estos interruptores podemos programar la matriz para que contenga una cantidad impresionante de información. Se puede abrir o cerrar cualquier interruptor particular, si queremos manejar otro interruptor solo debemos cambiar la conexión de la fuente

Ellos necesitaban crear un interruptor pudiera ser cambiado de estado una gran cantidad de veces, que tuviera una forma cubica, su longitud de lado fuera de solo 2 a 3 nanometros y que tuviera la posibilidad de cambiar la magnitud de su resistencia en alto grado,  Roff / Ron > 1000.

Williams recurrió es búsqueda de una respuesta al microscopio electrónico de tunelaje, con el pudo apreciar que alejándose de un conductor una distancia aproximada a 0,1 nm la corriente disminuía en un orden de magnitud (por ej, de 10 nA a 1 nA).

Entonces lo único que tenían que hacer era poder cambiar la altura del cubo de  material que forma el interruptor en 3 nm para poder tener un cambio de 100 veces en la magnitud de la resistencia del material.

El problema ahora estaba en encontrar un material que les permitiera realizar ese efecto, los modelos o diseños de ingeniería que se les ocurrían no cumplían con los requerimientos. Hasta que encontraron un paper que sentaba las bases teoricas. (publicación científica) redactado en 1972 por Leon Chua.

Después de años de experimentación con platino y interruptores formados con moléculas, en un golpe de suerte, observaron que no necesitaban interruptores moleculares después de todo.

Solo necesitaban un sustrato de platino puro, al cual le depositaban dióxido de titanio en su parte superior, luego otro deposito de dióxido de titanio seguido de otro sustrato de platino. La diferencia entre los dos óxidos reside en que a uno le falta átomos de oxigeno, estos átomos faltantes actúan como portadores de carga.

Este anuncio fue echo por Williams en el 2008

Esta configuración es tan buena conductora como los metales. Al removerse átomos de Oxigeno del dióxido de titanio, los agujeros (holes) que dejan (ausencias de cargas negativas) se comportan como cargas positivas, similar a los electrones en una unión PN clásica.

En la figura siguiente, el voltaje positivo empuja las cargas positivas hacia abajo dentro del otro TiO2, de esta forma el espesor del TiO2-x se incrementa al mismo tiempo que el espesor del TiO2 disminuye, después de un tiempo la separación entre los dióxidos deja de ser la marcada por la linea azul para convertirse en la marcada por la linea roja.

Al colocar un voltaje negativo podemos invertir el proceso y aumentar el espesor de TiO2.

El modelo de circuito equivalente consiste en 2 resistores en serie, consideremos que existe un puente entre estos resistores que varia el camino total a recorrer en función de la diferencia de potencial aplicada en los extremos de la unión serie

Una diferencia de potencial  positiva (considerando “+” el terminal superior) mueve el puente hacia abajo, y uno negativo hacia arriba. La resistencia del Memristor viene determinada por el espesor resultante de TiO2.

En resumen eso es conceptualmente un Memristor. Un circuito compuesto por memristor y transistores es más eficiente que uno que solo emplea transistores. Teóricamente se puede reemplazar 10 transistores con tan solo 1 memristor, las implicancias de esto son abismales, en modo simplista podríamos decir que aumentaríamos en 10 veces la capacidad de todos los circuitos electrónicos, y con ello las PC, celulares, tablets, etc

HP anuncio hace unos dias que va a empezar a fabricar  en conjunto con HYnix memorias creadas a partir de memrsitores, llamadas ReRAM (Resistive Random Access Memory)

Simbolo Electronico

Los materiales para fusibles eléctricos son metales o aleaciones metálicas, generalmente de no muy alto punto de fusión, que se emplean en la fabricación de los llamados fusibles eléctricos. Entre estos materiales se puede mencionar la plata, el aluminio, la aleación 2Pb–1Sn, etc.

Al circular corriente por un fusible, la resistencia del mismo provoca una disipación de energía con el correspondiente aumento de temperatura. Habrá entonces un valor de corriente que fundirá el fusible y abrirá el circuito, siempre que se apague el arco.

En funcionamiento normal, un fusible no debe llegar a una temperatura que ponga en peligro el fusible mismo, o su soporte aislante. Entonces existe una intensidad de corriente máxima que debe soportar en régimen continuo; esta intensidad se llama intensidad nominal In.
Existe a su vez, una intensidad de corriente para la cual el fusible se funde, garantizando la protección, y que se llama intensidad de fusión If.
La In debe ser del orden del 30% al 50% de If para pequeñas intensidades, y del orden del 70% al 80% de If para grandes intensidades.

La corriente que determina la fusión de alambres largos, tensos, y en ambientes calmos, es del orden de:

Donde “d” es el diametro [mm] y “a” una constante que depende del tipo de material.

Además hay que tener en cuenta la constante de tiempo, es decir, el tiempo transcurrido desde el momento en que la intensidad de corriente del circuito se hace peligrosa y puede fundir el fusible, hasta el instante en que éste se funde efectivamente. Normalmente la constante de tiempo es chica, pero hay que tener en cuenta que el fusible debe poder resistir sobrecargas de corta duración, sin fundirse.

La constante de tiempo varía mucho de un metal a otro y depende en gran medida, de la inercia de éstos para la fusión. Esta inercia queda definida por el tiempo necesario para que se produzca la fusión, teniendo en cuenta que, dos fusibles para la misma corriente límite, pero de metales diferentes se funden en tiempos distintos.

En la siguiente tabla se listan algunas características de diversos materiales.

¿Como elegir un fusible?

Cuando se requiere una gran seguridad, se emplea la plata, por su elevada conductividad, su inoxibilidad y su precisión para la fusión. Este metal es también el mas indicado para corrientes bajas, y es casi indispensables para intensidades menores a 3 amperes.

La aleación plomo–estaño, es conveniente para corrientes de 5 a 30 amperes. Con intensidades mayores, hay una gran proyección del material durante la fusión, lo que puede resultar peligroso. Para intensidades bajas no conviene esta aleación, ya que el hilo tendría que ser muy fino.

El aluminio, de poca precisión, presenta un retraso muy grande para la fusión, lo cual puede representar una ventaja en las redes de distribución pública, ya que soporta perfectamente las sobrecargas instantáneas.

Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC

Materiales Conductores

• Propiedades y Características de los Materiales Conductores
• Tipos de Materiales Conductores
• Materiales Conductores para Contactos Eléctricos
• Materiales Conductores para Fusibles Eléctricos

Continuamos con la serie de artículos referidos a los Materiales Conductores empleados en la electrónica.

La expresión contacto eléctrico implica la unión entre conductores. En el caso ideal el contacto no debe modificar las características del circuito electronico,  no debe introducir capacidad, inductancia o resistencia apreciable.
Normalmente la capacidad y la inductancia correspondiente a la unión son despreciables, y el problema se reduce a mantener la resistencia de contacto tan baja como sea posible.

Las principales características de un material ideal para contactos eléctricos son:

• Elevado conductividad térmica.
• Elevada conductividad eléctrica.
• Elevada resistencia a la corrosión.
• Baja resistencia superficial.
• Resistencia a soldarse.
• Resistencia mecánica.
• Resistencia al arco.
• Bajo Costo.
• Alto punto de fusión.

Esta de más decir que no existe material alguno que pueda cumplir con todos estos requisitos simultáneamente, por lo que se agrupan a los materiales sólidos para contacto eléctricos en clases.

Materiales de Alta Conductividad

Pertenecen a este grupo la plata y algunas aleaciones de la misma. La principal ventaja de la plata en este caso, es su elevada conductividad térmica y eléctrica; y sus principales desventajas son su bajo punto de fusión, su dureza relativamente pequeña, su tendencia a picarse y su tendencia a formar una capa superficial sulfurosa y de alta resistencia de contacto. Estos inconvenientes se solucionan, en gran medida, aleándola con otros materiales como: cobre, cadmio, zinc, magnesio, hierro, platino, paladio, etc.

Materiales Duros, Refractarios o Resistentes al Arco

Pertenecen a este grupo el molibdeno y el tungsteno, materiales que poseen una elevada resistencia al arco (por estas circunstancias se denominan refractarios). Los contactos hechos con estos materiales se emplean para operaciones continuas o muy frecuentes, y para corrientes del orden de 5 a 10 amperes. Su dureza permite presiones mecánicas muy elevadas. Presenta el inconveniente de tender a formar óxidos de alta resistencia eléctrica, pero esto puede ser superado con presiones de contactos elevadas, con cierres deslizantes, efecto del martilleo o empleando circuitos de protección auxiliares para reducir o suprimir el arco.

Materiales de Alta Conductividad Resistentes al Arco

Son aleaciones de tungsteno y molibdeno logradas según la metalurgia de los polvos metálicos. Esta técnica se usa debido a la dificultad de fundir dichos metales, y consiste en moldear, hornear y luego aglomerar a elevada temperatura y en atmósferas especiales los polvos metalúrgicos componentes de la aleación. Por ej: tungsteno–plata, plata–molibdeno, plata–carburo de tungsteno, plata–carburo de molibdeno, cobre–tungsteno, cobre–carburo de tungsteno, etc, aleaciones que tienen en su composición también pequeñas cantidades de: níquel, hierro, grafito, etc.

Pueden distinguirse tres tipos según la composición:

• Con entre 10 y 30% de material de alta conductividad (Ag o Cu).
• Con cantidades iguales de materiales refractarios y de alta conductividad.
• Con entre 10 y 30% de material refractario.

Los primeros se emplean en contactos para regímenes severos de trabajo; los segundos cuando además de las condiciones relativamente severas de trabajo, deben tenerse en cuenta largos períodos de funcionamiento sin un aumento excesivo de temperatura; y los últimos, en contactos para regímenes livianos de trabajo, reemplazando muchas veces a aleaciones de plata.

Materiales de Alta Resistencia a la Corrosión

Pertenecen a este grupo, metales nobles como el oro, el platino y el paladio. Los contactos hechos con estos metales se utilizan solamente en aplicaciones sensibles, especialmente cuando los contactos pueden estar sometidos a la contaminación del ambiente, con la consecuente corrosión o formación de películas superficiales. Se emplean con corrientes reducidas y con presiones entre los contactos muy bajas.
Aunque algunos de estos metales suelen usarse solos, en general, por ser blandos, se usan aleados con otros elementos como: iridio, osmio, rutenio, rodio y muchas veces también plata, cobre, níquel, hierro, etc.

Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC

Materiales Conductores

• Propiedades y Características de los Materiales Conductores
• Tipos de Materiales Conductores
• Materiales Conductores para Contactos Eléctricos
• Materiales Conductores para Fusibles Eléctricos

Los materiales conductores pueden clasificarse en dos grupos: Materiales de alta conductividad (baja resistividad), y Materiales de alta resistividad (baja conductividad).

Al primer tipo corresponden materiales que se emplean, fundamentalmente, para transportar corriente eléctrica con baja perdida, por ej cobre, plata, aluminio y ciertas aleaciones como el bronce.
El segundo grupo está compuesto por materiales que se emplean, cuando se necesita producir una caída de potencial, por ej. se los emplea para la construcción de resistores, lamparas incandescentes, etc.

Materiales Conductores de Alta Conductividad

Los materiales de alta conductividad mas típicos son: la plata (ρ=0,016), cobre (ρ=0,0172 a 0,0175) y el aluminio (ρ=0,026 a 0,028).

• Plata (ρ=0,016 ; α=0.036)

La plata es, de los materiales conocidos, el más conductor (un 10% más que el cobre que ocupa el segundo lugar), pero su uso como material eléctrico es muy limitado debido a su elevado costo. Se encuentra en la naturaleza bajo la forma de: sulfuros, cloruros o plata nativa; para obtener plata químicamente pura, una vez elaborada, se la refina por vía generalmente electrolítica.

La plata es un material muy maleable y dúctil, que puede soldarse a sí misma por martilleo (batido), a una temperatura inferior a la de fusión (temperatura de fusión: 960ºC); su dureza no es muy elevada, y se haya comprendida entre la del oro y el cobre.
Como material conductor se emplea: en fusibles (para cortocircuitos eléctricos), fundamentalmente por su alta conductividad, su inoxibilidad y su precisión para la fusión; en contactos de interruptores o relevadores para bajas intensidades, por su alta conductividad eléctrica y térmica; en instrumentos médico eléctricos (termocauterio); etc.

• Cobre (ρ=0,072–0,0175 ; α=0,0036)

El cobre es el material de uso mas generalizado como conductor eléctrico, debido a su conductividad elevada y a su costo moderado. Es un elemento muy difundido en la naturaleza, corrientemente se encuentra bajo la forma de: sulfuros, óxidos o carbonatos, excepcionalmente como cobre nativo (USA). El cobre puro (cobre electrolítico), se obtiene por refinado electrolítico. El cobre es un metal altamente maleable y dúctil, que puede ser fundido, forjado, laminado, estirado y trabajado. El trabajo mecánico lo endurece, pero el recocido lo devuelve a su estado dulce. Tiene una elevada resistencia a la tracción, una gran estabilidad a la corrosión, y es fácil de estañar y de soldar.

Con el objeto de mejorar las cualidades mecánicas del cobre, se le adicionan otros elementos formando aleaciones, como el bronce y el latón.

El bronce es una aleación de cobre y estaño (generalmente con un 80% a un 95% de Cu), que se caracteriza por su tenacidad y dureza).
Suele usarse como conductor eléctrico, pese a que su conductividad eléctrica es inferior a la del cobre. Los bronces modernos, son frecuentemente aleaciones ternarias o cuaternarias (otros elementos componentes de la aleación suelen ser: el fósforo, el silicio, el magnesio, el berilio, el cadmio, etc.); algunos bronces llevan el nombre del elemento que se les adiciona (ejemplo: bronce fosforoso, bronce al silicio, etc.).

El latón es una aleación de cobre (50% a 70%) y zinc (30% a 50%), a los que se les agrega, a veces, otros materiales (estaño, plomo, hierro), pero en pequeñas cantidades. Se caracteriza por la facilidad con que puede ser estirado y estampado y se usa como material conductor, pese a que su conductividad eléctrica es inferior a la del cobre.
Cuando se requieren conductores de elevada resistencia mecánica, se suelen utilizar el hierro o el acero, recubiertos de una película protectora y muy conductora de cobre; poseen como ventaja la gran resistencia propia del hierro o el acero, combinada con la elevada conductividad del cobre. Ejemplo:
“Copper–Weld”.

• Aluminio (ρ=0,026–0,028 ; α=0,00403–0,00429)

El aluminio ocupa el tercer lugar por sus conductividad, después de la plata y el cobre. La conductividad del aluminio es sólo un 63% de la conductividad del cobre, pero a igualdad de longitud y peso tiene el doble de conductancia.
Se lo obtiene de la bauxita, mineral abundante y muy distribuido en el globo.El aluminio es un material más blando que el cobre. Su resistencia a la tracción es mucho menor, y su soldadura presenta dificultades, pero es un material dúctil que puede ser trabajado fácilmente por laminado, estirado, hilado, extrusión y forjado. Está siempre cubierto por una capa delgada e invisible de óxido, que es impermeable y protectora. El aluminio expuesto a la atmósfera ordinaria, tiene estabilidad y larga vida.

Para aumentar su resistencia mecánica se le agrega silicio, magnesio, hierro, etc., obteniéndose diversas variaciones de uso eléctrico. Ejemplo: almenec, aldrey, etc.

Materiales Conductores de Alta Resistividad

Este grupo está compuesto de aleaciones de alta resistividad. Estas aleaciones tienen composiciones muy variadas y se encuentran en el mercado bajo distintas denominaciones. Los principales elementos empleados en estas aleaciones son: cobre, cromo, hierro, níquel, manganeso, aluminio, zinc, silicio, etc.

Las principales aleaciones de alta resistividad son:

• Aleaciones de cobre y níquel

Son aleaciones que poseen coeficientes de resistividad relativamente bajos respecto a otras aleaciones (alrededor de 0,5 W·mm²/m).
Una aleación de este tipo es el constantán (60%cobre – 40%níquel). Esta aleación tiene una elevada f.e.m. respecto al cobre, por lo que no es adecuada para instrumentos de medida de precisión, pese a tener un bajo coeficiente de temperatura.
Añadiendo zinc a la aleación cobre–níquel, se obtiene el argentan que tiene 0,37W·mm²/m, y un elevado coeficiente de temperatura.
Con la adición de manganeso, se obtiene la niquelina (67%Cu–31%Ni–2%Mn aproximadamente), que tiene 0,40W·mm²/m y coeficiente de temperatura y
f.e.m. respecto al Cu, prácticamente despreciables, por lo que se emplean en los instrumentos de precisión.

• Aleaciones de níquel y cromo

Son aleaciones que poseen coeficientes de resistividad más elevados (alrededor de 1W·mm²/m), coeficientes de temperatura bajos y pequeñas f.e.m. con respecto al Cu. Son aleaciones adecuadas para trabajar a temperaturas elevadas (1.000ºC o algo mas), pues el conductor se recubre de una capa de óxido que lo protege del ulterior ataque del oxígeno.
Las aleaciones níquel—cromo se encuentran en el mercado con distintas denominaciones comerciales. Con la adición de hierro, se obtiene un aumento de la resistividad y menor costo, pero los conductores no son aptos para trabajar a temperaturas superiores a los 800ºC, y a veces presentan fenómenos de oxidación.
Para temperaturas de hasta 1.350ºC se fabrican aleaciones de hierro, aluminio, cromo y cobalto (kanthal).

Del análisis de las aleaciones estudiadas se observa que el cobre interviene en la mayor parte de las aleaciones empleadas a temperatura ordinaria; que el níquel les confiere mayor resistividad y que el cromo les asegura resistencia a la oxidación a temperaturas elevadas y protección contra los ataques de los agentes químicos.

Característica y clasificación de las aleaciones de alta resistividad

En general, las características mas importantes a tener en cuenta en las aleaciones de alta resistividad son:

· Alta resistividad.
· Bajo coeficiente térmico de resistividad.
· Resistencia a la corrosión.
· Constancia en el tiempo.
· Pequeña fuerza termoelectromotriz con respecto al cobre.
· Alto punto de fusión.
· Ductibilidad, maleabilidad y soldabilidad.

La importancia de cada una de estas características varía según el uso al
que está destinada la aleación.
Las aleaciones de alta resistividad suelen agruparse en tres clases:

Clase A: Aleaciones para resistores de precisión (cajas de resistencia, resistores patrones, etc.).
Clase B :  Aleaciones para resistores comunes (resistores y reóstatos).
Clase C :  Aleaciones para elementos electrotérmicos (hornos, etc.).

Este último grupo suele subdividirse, según la temperatura máxima de uso, en subclases:

¸  Subclases C1: temperatura máxima  350ºC
¸  Subclases C2: temperatura máxima  500ºC
¸  Subclases C3: temperatura máxima  700ºC
¸  Subclases C4: temperatura máxima  900ºC
¸  Subclases C5: temperatura máxima 1100ºC
¸  Subclases C6: temperatura máxima 1300ºC

A las aleaciones de clase A, Ej.: Manganita(84%Cu 12%Mg 4%Ni), se les exige:
· Alta resistividad.
· Pequeña fuerza termoelectromotriz, con otros metales (sobre todo cobre).
· Coeficiente térmico de resistividad próximo a cero.
· Constancia en el tiempo.
· Alta estabilidad contra la corrosión.

A las aleaciones de clase B, Ej.: Constantán (Cu–Ni)y Niquelina (Cu–Ni–Mg) y en general aleaciones a base de cobre, se les exige fundamentalmente:
· Alta resistividad.
· Poco costo.
· Pequeño coeficiente térmico de resistividad.

A las aleaciones de clase C, Ej.: Nicromo (Ni–Cr), ferronicromo, aleación ferro–cromo–aluminio, cromal (Cr–Al), kanthal (Fe–Cr–Al–Co), se les exige fundamentalmente:
· Alta resistividad
· Poco costo
· Resistencia mecánica
· Elevado punto de fusión
· Resistencia a la oxidación y corrosión.

Cabe recordar que en atmósferas sulfurosas no se deben emplear las  aleaciones con Ni para evitar la corrosión.

Ref: Apunte de clase. Tecnologia Electronica. UTN FRC

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• Materiales Conductores para Fusibles Eléctricos

Todos los que trabajamos alguna vez con microcontroladores u osciladores precisos hemos empleado a estos simpaticos componentes, que desde su aparición posibilitaron grandes avances en la electrónica moderna.

Aunque son empleados por muchos, no son tantos los que conocen que es un material piezoeléctrico y a que se hace referencia cuando se nombra al famoso efecto piezoeléctrico. En está entrada hare un pequeño resumen acerca de este tema.

Materiales Piezoelectricos

Piezoelectricidad: La piezoelectricidad puede definirse como la propiedad que poseen algunas sustancias no conductoras, cristalinas (que no poseen centro de simetría), de presentar cargas eléctricas de signo contrario, en caras opuestas, cuando están sometidas a determinadas deformaciones mecánicas. El fenómeno es reversible, pues aplicando a las caras, una tensión
eléctrica, se produce una deformación mecánica proporcional al potencial eléctrico.

Fig 1. Proyección del Hexágono Atómico

La deformación de un cristal no genera cargas eléctricas, pero produce un desplazamiento de las cargas propias del mismo; y en los cristales asimétricos, este desplazamiento provoca el llamado efecto piezoeléctrico.

La célula unitaria de cuarzo (Si–O2) está compuesta por 6 átomos de oxigeno, con dos cargas negativas cada uno, y 3 de silicio con cuatro cargas positivas cada uno.
La proyección del hexágono atómico (Figura 1) muestra los 3 átomos de silicio, y solo 3 de los 6 de oxígeno, dado que ellos se superponen 2 a 2.
Si se ejerce una presión, por ejemplo, en el sentido indicado por las flechas, se producen una deformación de la célula; un desplazamiento de las cargas, y el equilibrio eléctrico resulta alterado. Como consecuencia aparecen cargas de signo opuesto en la parte superior e inferior de la célula esquematizada.

Muchas sustancias cristalinas poseen propiedades piezoeléctricas, pero solamente algunas se usan a escala industrial; entre éstas, el cuarzo, la Sal de Rochelle, el titanato de bario, el fosfato dihidrogenado de amonio (ADP), etc..
De los cristales piezoeléctricos se cortan láminas que se usan fundamentalmente como patrones (o controles) de frecuencia, o como transductores.
Estas láminas, que se cortan siguiendo determinadas reglas, vinculadas a los ejes cristalográficos, se suelen llamar simplemente cristales.

Los cristales se usan como patrones de frecuencia, cuando la frecuencia de resonancia mecánica de los mismos es muy estable (por ejemplo, láminas convenientemente cortadas de un cristal de cuarzo); estos cristales al vibrar generan una tensión proporcional a la amplitud de la vibración, y de la misma frecuencia que ésta; y provistos de electrodos convenientes, tienen las características de un circuito resonante de muy alto Q y alta relación L/C, y se utilizan en circuitos filtros, o como elementos de realimentación selectiva en circuitos osciladores, entre otras aplicaciones.
El circuito equivalente de un cristal es el siguiente:

Fig 2. Circuito Equivalente de un Cristal

La capacidad en paralelo C1 corresponde a los electrodos soportes y al cableado, y puede llegar a tener un valor importante.
Esta capacidad hace que el cristal presente dos modos de resonancia: una resonancia serie fs y otra paralelo fp (Figura 3). Entre las dos suele haber una diferencia del orden de 1 a 2KHz. Normalmente se usa el modo de resonancia serie.

Fig 3. Variación de la Reactancia y la Impedancia en un Cristal.

Los cristales piezoeléctricos se usan también como transductores, debido a que el efecto piezoeléctrico posibilita la conversión de energía mecánica en eléctrica o viceversa; ejemplos típicos son los cristales piezoeléctricos usados en micrófonos, fonocaptores, patrones de deformación, etc.. Para algunas de estas aplicaciones se usa el cuarzo, pero su efecto piezoeléctrico es relativamente débil, por lo que es más común el uso de la Sal de Rochelle, de las cerámicas piezoeléctricas, etc.

El cuarzo

El cuarzo, bióxido de silicio (Si–O2), es una sustancia que cristaliza en el sistema romboédrico, a simetría ternaria, es decir formando prismas hexagonales cerrados en sus extremos por romboides, con un eje óptico Z, tres ejes eléctricos X, paralelos a los lados del hexágono, y tres ejes mecánicos Y, perpendiculares a los lados del hexágono.
La estructura cristalográfica del cuarzo permite obtener, mediante cortes, láminas con propiedades piezoeléctricas. Estas láminas (cristales), con sus correspondiente electrodos, tienen las características de un circuito resonante con Q varias veces mayor que el que puede obtenerse con un circuito convencional de constante concentradas; la frecuencia de resonancia es, fundamentalmente, función de las dimensiones del cristal, del montaje y de la orientación del corte; esto último determina además, la actividad, el coeficiente de temperatura, y otras características del cristal.
Un cristal de cuarzo tiene varias resonancias, pues las oscilaciones pueden ser, longitudinales, transversales, de corte o de flexión.
Dando al cristal, y al soporte del mismo, formas adecuadas, pueden acentuarse un modo de resonancia y atenuarse las llamadas resonancias secundarias.

Figura 4. Corte del Cuarzo. Coeficiente cero de Temperatura T.

Los primeros cristales utilizados, se obtienen de cortes perpendiculares a los ejes X e Y, cortes X e Y respectivamente. El corte Y, tiene un coeficiente de temperatura elevado y discontinuo; el corte X un coeficiente de temperatura también alto, pero mucho más continuo, lo que permite obtener una buena estabilidad cuando se usan hornos termostáticos. Sin embargo, este corte es menos activo que el Y.
En la actualidad existen muchos otros modos de corte. Para frecuencias comprendidas entre 500KHz y 6MHz, se usan preferentemente el corte AT (Figura 4); este corte tiene un excelente comportamiento térmico, pero por encima de los 6MHz los cristales son muy delgados y difíciles de obtener. Para frecuencias entre los 6 y 12MHz se usa preferentemente el corte BT.
Para  bajas frecuencias, del orden de 50 a 500KHz se usan los cortes CT y DT; y para frecuencias del orden de los 100KHz se recomienda el corte GT.
Cortes y pulidos especiales permiten que el cristal vibre en una armónica de su fundamental, se pueden obtener cristales con cortes AT y BT para funcionar en la 3ra ; 5ta y hasta 7ma armónica (Figura 5).

Cuando se usan cristales funcionando en armónicas, debe colocarse un circuito sintonizado en el oscilador para eliminar la frecuencia fundamental, y las otras armónicas, pues el cristal puede oscilar en una frecuencia que no es la deseada.

Los cristales se cortan utilizando discos de acero con esquirlas de diamante engarzadas en su periferia, o bien utilizando discos de acero de 0,5mm de espesor, alimentados con agua y glicerina con carborúndum (carburo de silicio artificial, utilizado como abrasivo) en polvo en suspensión. Los cristales obtenidos, después de los sucesivos cortes, son rigurosamente examinados y pulidos hasta obtener las dimensiones deseadas.

Figura 5. Corte del cuarzo. Bajo coeficiente de temperatura T. Filtros de +5º.

Para el montaje, pueden metalizarse las caras del cristal en este caso se baja la frecuencia de resonancia del mismo.
El metalizado puede obtenerse cubriendo las caras con un barniz con óxido de plata en suspensión, y calentando los cristales, barnizados y secos a una temperatura del orden de los 300ºC, con lo cual el óxido de plata se reduce a plata metálica; otras veces la metalización de las caras puede obtenerse evaporando al vacío plata, oro o aluminio. A los electrodos así obtenidos se sueldan los conductores de conexionado con una aleación de bajo punto de fusión. Los puntos de soldadura deben corresponder a nudos de vibración.

Si se desea disminuir las perdidas puede encerrarse el cristal en una ampolla de vidrio, en la que se hace el vacío, ya que el aire atenúa las oscilaciones del cristal.
Otra forma de montaje es colocar los cristales entre electrodos mantenidos contra las caras del cristal, en contacto, o a una mínima distancia de las mismas. El ajuste de esta pequeña distancia permite variaciones de la frecuencia de oscilación, del orden del 0,3%.
Una vez montado el cristal, puede controlarse la frecuencia de resonancia y la presencia de resonancias no deseadas, con un montaje como el de la Figura 6 o similar. El mismo consiste en un oscilador de frecuencia variable, a cuya salida se conecta un cristal Q en serie con una resistencia R, un voltímetro de alta impedancia conectado entre los extremos de la resistencia indica tensión máxima cuando la frecuencia del oscilador coincida con la resonancia en serie; y tensión mínima cuando coincide con la de resonancia paralelo.
Si se sustituye el cristal por una resistencia variable puede determinarse el valor de la resistencia equivalente del cristal.

Figura 6. Montaje con resistencia.

Cristales Solubles

Son cristales artificiales que se obtienen por cultivo.
Se parte de soluciones saturadas en caliente, y por enfriamiento o evaporación se forman y crecen dentro de la misma, los cristales.
El crecimiento debe ser lento si se desean obtener cristales perfectos. Para acelerar el proceso, se puede partir de trozos cortados de cristales grandes que actúan como gérmenes.
De los cristales solubles, el mas corriente es la Sal de Rochelle (Sal de Seignette), tartrato doble de sodio y potasio (K, Na, C4 O6 H2O).
Fue obtenido por primera vez, por un farmacéutico de la Rochelle (Francia), de nombre Seignette. Es un cristal ortorrómbico que debe sus propiedades físicas al ácido tartárico del cual proviene.
La sal de Rochelle es estable entre el 35% y el 85% de humedad relativa.
Por encima del 85% de humedad el cristal absorbe agua de la atmósfera y se disuelve lentamente. Para aminorar los efectos de la humedad se cubren los cristales con ceras que retardan, más bien, que evitan la deshidratación. La máxima temperatura a que puede estar expuesto este cristal es del orden de 45ºC. A los 55ºC pierden de forma permanente sus propiedades piezoeléctricas.

El corte de los cristales de sal de Rochelle como el de cualquier otro cristal soluble, se efectúa preferentemente, con un dispositivo similar a una sierra sinfín, provista de un sutil hilo de acero cuya principal misión es aportar agua, la que por disolución efectúa el corte, en la zona de contacto del hilo con el cristal, ya que el hilo no debe efectuar ninguna acción abrasiva sobre el cristal (Figura 7).

Las laminas de sal de Rochelle pueden montarse para trabajar a la torsión o a la flexión, y según cual sea el montaje, varía la orientación del corte.
Después de cortado, y antes de utilizarlo, los cristales se mantienen un cierto tiempo en armarios, a temperaturas controladas.
Para poder conectarlo al circuito eléctrico, se pegan a las dos caras de las láminas de cristal, electrodos, consistentes en hojitas de estaño o aluminio.
Otros cristales piezoeléctricos solubles son: el tartrato de etilendiamonio, tartrato de potasio, etc..

Figura 7. Corte de un Cristal con sierra sinfín.

Cerámicas

El titanato de bario es una cerámica que presenta propiedades piezoeléctricas.
Los materiales piezoelectricos de titanato de bario, se fabrican por procesos cerámicos, y se los polariza enfriándolos desde temperaturas superiores a las de Curie, en un campo eléctrico intenso.
Se usan como transductores; su sensibilidad piezoeléctrica es algo inferior a la sal de Rochelle, pero tienen otras ventajas como: gran resistencia mecánica, resistencia a la humedad, y posibilidad de usarse dentro de un rango de temperaturas mayor, (hasta los 70ºC de temperatura; para  temperaturas superiores puede usarse el titanato de plomo).

Gran parte del reciente interés en el metal glass se concentra en su utilización en aplicaciones estructurales, es decir, aplicaciones en las que la capacidad de apoyo de una carga es importante.

Al considerar los usos potenciales de un nuevo material, un buen lugar para empezar es su lista de buenas y malas propiedades. Aquí hay algunas características clave del metal glass que son ventajosas para muchas aplicaciones estructurales:

• Alta resistencia y dureza: Buena capacidad de carga y resistencia al desgaste.

• Alta resistencia a la fractura (para algunas aleaciones): Buena resistencia a la fractura.

• Alta resiliance (capacidad de absorción de energía elástica): Bueno para los muelles y componentes “snap fit”.

• Bajo nivel de amortiguación mecánica: También bueno para muelles.

• Capacidad para ser formado como un líquido superenfriado: Facilita para producir formas complejas.

Pero nada es gratis, también tienen algunas propiedades poco atractivas:

• Cero ductilidad en tensión: Tienden a fracturarse fácilmente.

• Baja resistencia a la propagación de grietas de fatiga: sensible a las fallas debido a cargas repetidas.

• Alto costo en relación con las aleaciones comunes.

Referencias

Empleada

• http://www.newscientist.com/article/mg18624931.000-metallic-glass-a-drop-of-the-hard-stuff.html
• http://focus.aps.org/story/v15/st20
• http://jshare.johnshopkins.edu/thufnag1/Public_html/metallicglass.html
• http://www.materialstoday.com/pdfs_7_3/telford.pdf
• http://www.metglas.com/downloads/lit/amor_elec_pow_dist_appl.pdf
• http://en.wikipedia.org/wiki/Amorphous_metal

Recomendada

Libros

• M. Miller and P. Liaw, eds., Bulk Metallic Glasses: An Overview (Springer, 2007)
• H. H. Liebermann, ed., Rapidly Solidified Alloys (Marcel Dekker, 1993)
• F. E. Luborsky, ed., Amorphous Metallic Alloys (Butterworths, 1983)

Articulos Cientificos

• Klement, W., et al., Nature (1960)
• Chen, H. S., and Turnbull, D., Acta Metall. (1969)
• Lee, M. C., et al., Appl. Phys. Lett. (1982)
• Kui, H. W., et al., Appl. Phys. Lett. (1984)
• Loeffler, J. F., Intermetallics (2003)
• Inoue, A., et al., Mater. Trans. JIM
• Zhang, T., et al., Mater. Trans. JIM (1991)
• Peker, A., and Johnson, W. L., Appl. Phys. Lett. (1993)
• Kündig, A. A., et al., Scripta Mater. (2001)
• Spaepen, F., and Turnbull, D., Scripta Mater. (1974)
• Kato, H., and Inoue, A., Mater. Trans. JIM (1997)
• Conner, R. D., et al., Acta Mater. (1998)
• Kim, C. P., et al., Appl. Phys. Lett. (2001)
• Szuecs, F., et al., Mater. Sci. Forum (2001)
• Hays, C. C., et al., Phys Rev Lett. (2000)
• Kühn, U., et al., Appl. Phys. Lett. (2002)
• He, G., et al., Nat. Mater. (2003)
• Pekarskara, E., et al., J. Mater. Res. (2001)

Notas Periodisticas

• J. Schroers and N. Paton, “Amorphous metal alloys form like plastics,” Advanced Materials and Processes (January, 2006)
• “Glassy metals,” Discover (April, 2004)
• “The case for bulk metallic glass,” Materials Today (March, 2004)
• W. L. Johnson, “Bulk amorphous metal – An emerging engineering material.” JOM (March, 2002)

Web Sites

• http://genesismission.jlp.nasa.gov
• http://www.inpg.fr/BMG-RTN
• http://www.liquidmetal.com/
• http://www.metglas.com/

METAL GLASS

Metal Glass – Introducción y Fabricación
Metal Glass – Estructura
Metal Glass – Evolución Historica
Metal Glass – Propiedades
Metal Glass – Aplicaciones

Las Principales propiedades y características de los materiales conductores son:

1. Conductividad eléctrica (Resistividad eléctrica).

2. Coeficiente térmico de resistividad.

3. Conductividad térmica.

4. Fuerza electromotriz.

5. Resistencia mecánica.

Ahora a explicar cada una

1. Conductividad Eléctrica (Resistividad Eléctrica)

La conductividad eléctrica es una propiedad vinculada a la corriente eléctrica que puede fluir por un material cuando este está sometido a un campo eléctrico.–

Generalmente la densidad de corriente J es proporcional al campo eléctrico:

La constante de proporcionalidad es la conductividad eléctrica; y su recíproca es la resistividad eléctrica.–

Sea un conductor de sección transversal constante S por el cual circula una corriente I siendo V=(V1–V2) la diferencia de potencial entre dos puntos separados una distancia l. La densidad de corriente J y el campo eléctrico E en la barra están dados por:

por lo tanto,

Comparando esta expresión con la forma más usual de la Ley de Ohm se obtiene:

de donde

La resistencia eléctrica es un función de la geometría del elemento, pero la resistividad es una constante del material.–
La resistencia se mide en ohmios. La resistividad se mide en:

2. Coeficiente Térmico de Resistividad α

El coeficiente térmico de resistividad es una magnitud que caracteriza la variación de la resistencia en función de la temperatura.–
El valor de la resistencia de un elemento a una temperatura t2 puede expresarse como:

R_t2 = R_t1[1+α(t₂-t₁)] = R_t1(1+α∆_t)

siendo:

R_t1 : valor de la resistencia a temperatura

∆_t : salto térmico

α : coeficiente térmico de resistividad

despejando α

El coeficiente térmico de resistividad es el aumento de resistencia por unidad de resistencia y por grado de variación de temperatura.–
En los metales, el coeficiente térmico de resistividad es positivo.–

La conductividad térmica es el calor que circula, en la unidad de tiempo,entre dos caras opuestas de un volumen (de dimensiones unitarias) por unidad de diferencia de temperatura entre las caras.–

3. Conductividad Térmica σ_θ

El elemento tiempo se halla incluido en la unidad de medida de potencia [watt], que es la energía por unidad de tiempo.–
La conductividad térmica σ_θ y el gradiente de temperatura ∂T/∂x son los factores que determinan el régimen de transmisión de calor a través de un sólido.–

Si se supone una muestra de sección constante S en la que se tiene un flujo de calorías por unidad de tiempo H (Figura 1-2) se puede escribir que:

El signo menos indica que el calor fluye de las temperaturas altas a las bajas.–
Puede observarse que la ecuación de conducción del calor es similar a la de la conducción eléctrica.–
En los metales, a temperatura ambiente, la buena conductividad térmica va siempre acompañada de una buena conductividad eléctrica debido a que la transmisión de calor en los mismos, se debe principalmente a los electrones libres.–

La resistividad térmica es la recíproca de la conductividad, y se expresa en [ºC· cm³/watt].–
La capacidad calórica específica de un material es la energía calórica acumulada en la unidad de volumen por unidad de elevación de temperatura y puede expresarse en [Joules·/ºC].–

4. Fuerza Termoelectromotriz

Se denomina fuerza termoelectromotriz a una fuerza electromotriz que se genera en circuitos formados por dos conductores de distintos materiales a y b cuando los correspondientes puntos de unión 1 y 2 (Figura 1–3) se encuentran a diferentes temperaturas.–

Esta fuerza electromotriz inducida térmicamente se denomina también potencial de Seebeck.-

La tensión que aparece entre dos materiales se obtiene como diferencia entre los valores correspondientes que figuran en la tabla; por ejemplo: en el caso constantán (aleacion de Cu y Ni cuya resistencia eléctrica es prácticamente independiente de la temperatura) – cobre se tiene:

-3,5 – (+0,75) = -4,25

Cuando se miden tensiones e intensidades pequeñas, si en el circuito de medición hay puntos de unión de metales diferentes, pueden surgir fuerzas termoelectromotrices que pueden alterar los resultados de la lectura.–
La fuerza termoelectromotriz se usa a menudo para medir temperaturas. En este caso, el conjunto de los conductores se denomina termopar.–

Para temperaturas altas se usan termopares de: 90%platino–10%rodio (9,5mV a 1000ºC); molibdeno–wolframio (con 1% de hierro) (16mV a 2000ºC); carbón–silita (54mV a 1800ºC); etc.–

5. Resistencia Mecánica

Al seleccionar un conductor, además de considerar sus propiedades eléctricas, muchas veces es necesario tener en cuneta la resistencia mecánica del mismo.–
Por efecto de una fuerza convenientemente aplicada, un material se alarga. Si se designa con l1 la longitud inicial, y con l2 la longitud final, la diferencia:

donde ∆l se llama alargamiento absoluto y e es al alargamiento relativo.–
La fuerza que provoca la ruptura se llama carga de ruptura, y la relación entre esta carga y la sección transversal se llama resistencia limite a la ruptura.–

Materiales Conductores

• Propiedades y Características de los Materiales Conductores
• Tipos de Materiales Conductores
• Materiales Conductores para Contactos Eléctricos
• Materiales Conductores para Fusibles Eléctricos

Propiedades Mecanicas

Gran parte del interés en los vidrios metálicos se centra en sus inusuales y potenciales propiedades mecánicas. Las diferencias de comportamiento entre los vidrios metálicos y las aleaciones convencionales (que son cristalinas), son consecuencia directa de las diferencias en la estructura.-
La resistencia de un metal cristalino está limitada por la presencia de defectos en la estructura cristalina llamada dislocaciones. Un material amorfo, como un vidrio metálico, no tiene defectos de forma y su resistencia puede acercarse al límite teórico asociado con la fuerza de sus cadenas atómicas. A continuación se muestra una comparación de las propiedades mecánicas de algunos vidrios metálicos, junto con algunas aleaciones convencionales:

Tabla 1

Podemos ver en la Tabla 1 que los vidrios metálicos pueden ser muy fuertes. Por ejemplo, el hierro a base de vidrio, en la tabla es 2 veces más resistente que un acero de alta resistencia. Como se podría esperar, la alta resistencia de los vidrios metálicos a generado mucho interés en ellos para aplicaciones estructurales.-

Otra consecuencia de la inusual estructura de vidrios metálicos es que son un poco (20-30%) menos rígidos que las aleaciones similares cristalinas. (“Menos rígidos” significa que se deforman más, dada una misma cantidad de la fuerza).-
Aunque esto puede parecer indeseable, en algunas aplicaciones una aleación de menor rigidez es realmente ventajosa. Por ejemplo, los implantes ortopédicos, en este caso, si el material implantado es mucho más rígido que el hueso, el implante lleva demasiado de la carga y el hueso se vuelve más débil.

Sin embargo, no todas las propiedades mecánicas de los vidrios metálicos son buenas. Observe el final de la tabla de arriba. “Elongación plástica” es una medida de ductibilidad, y es una propiedad de los metales sumamente usada por dos razones. Primero, esto significa que los metales pueden ser formados en una amplia variedad de formas por procesos de deformación (tales como: forjado, arrollamiento y extrusión). Segundo, debido a que el opuesto de un comportamiento dúctil es una fractura vidriosa, la ductibilidad es obviamente deseable en cualquier aplicación estructural. Pero en la tabla de arriba vemos que los vidrios metálicos no son dúctiles, lo cual es una barrera significativa para sus aplicaciones extendidas.-
Irónicamente, la misma característica de los vidrios metálicos que les proporciona su alta resistencia  –una carencia de dislocaciones- es también responsable de su falta de ductibilidad. Las dislocaciones producen una fuerte deformación, lo cual significa que los metales cristalinos son efectivamente más fuertes en respuesta a la deformación. Así, si una pequeña región de un metal cristalino se deforma plásticamente, ello le induce mayor fortaleza. Antes que la deformación continúe en el mismo lugar, ésta ocurre en algún otro punto, el cual no posee fortaleza a la fatiga y es por lo tanto débil. De esta manera, la deformación plástica se extiende a través de un volumen relativamente cuantioso del material. Los vidrios metálicos tienen exactamente una respuesta opuesta, ellos se estiran suavemente. Entonces una vez que la deformación plástica se produce, ésta tiende a continuar en la misma región, un proceso llamado localización cortante. El resultado es la formación de bandas cortantes, las cuales son regiones de deformación plástica altamente concentradas, como se muestra aquí:

Figura 8

La imagen muestra la superficie de una muestra de vidrio metálico sometido a flexión, cuando es visto en un microscopio de exploración electrónico. Le deformación ha originado la formación de bandas cortantes en la base de la superficie de la muestra (visto en la proximidad del límite de la base de la imagen) y se propaga hacia el centro de la muestra (hacia arriba en la imagen). Observar que la deformación cortante (flechas rojas) indica la formación de una marca (flecha negra) en la superficie de la muestra. Existe una extensa deformación cortante en cada banda cortante, pero una pequeña deformación ocurre entre las bandas. Brevemente después esta imagen fue tomada, esta muestra particular se fracturó a lo largo de la mayor banda cortante vista arriba.-

La falta de ductibilidad frente a tensiones en los vidrios metálicos presenta un problema potencial para aplicaciones estructurales, donde el comportamiento quebradizo es indeseable. El problema no es completamente tan malo como parece, porque no obstante a su comportamiento quebradizo algunos vidrios metálicos aún tienen razonablemente una buena resistencia a la fractura. Además es posible lograr algo de ductibilidad con la fabricación de un material compuesto de consistencia relativamente suave, partículas de metal cristalino dúctil o fibras embebidas en una matriz de vidrio metálico. Las partículas al mismo tiempo promueven la formación de bandas cortantes e inhibe la propagación de bandas cortantes. Generar más bandas cortantes no parece algo bueno, pero la idea es que un número pequeño de bandas cortantes es preferible a una grande, la cual podría causar la fractura.-

Una consecuencia final de la microestructura de los vidrios metálicos es que parecen ser más susceptibles al quiebre por fatiga que las aleaciones cristalinas convencionales. Una simple explicación para esto es que una vez que una pequeña rotura se forma, no hay características microestructurales en un vidrio metálico que impida su crecimiento bajo una carga cíclica. El rendimiento frente a la fatiga de los vidrios metálicos puede ser mejorado por medio de la fabricación de un material compuesto, pero a la fecha se han efectuado relativamente pocos trabajos en esta área.

Propiedades Magneticas y Estabiblidad Termica

A pesar del tremendo interés reciente en las propiedades mecánicas de los vidrios metálicos, las aplicaciones más comunes en el mundo real de los vidrios metálicos efectivamente hacen uso de las novedosas propiedades magnéticas de algunas aleaciones amorfas basadas en Hierro, Níquel y Cobalto. Si bien la saturación magnética de estas aleaciones no es tan buena como la de los elementos puros, la falta de una estructura cristalina puede ser una ventaja importante. En particular, las aleaciones amorfas tienden a presentar una baja coercitividad porque no hay límites entre los granos cristalinos que impida el movimiento del campo magnético y porque no hay anisotropía magnetocristalina. Además, si bien los vidrios metálicos son eléctricamente conductores, su resistencia al flujo de corriente es generalmente más grande que la de las aleaciones cristalinas. Esto ayuda a minimizar las pérdidas de corriente que ocurren debido a la rápida magnetización y desmagnetización del material.-

Las propiedades magnéticas de un material ferromagnético, están en parte relacionadas con la facilidad de magnetización, los metales amorfos son más faciles de magnetizar que los metales cristalinos. La facilidad de magnetización en un material se refleja en la relación entre la inducción magnética (B) y el campo magnético aplicado (H). La figura 9 ilustra la curva B vs H del amorfo Fe8OB11Si9 y del acero de grano orientado de silicio. La estrechez de la curva para el metal amorfo, la alta permeabilidad (B/H), y el bajo componente de histéresis de las pérdidas magneticas (según lo medido por el área dentro de la curva BH) indican la relativa facilidad de magnetización.-

Figura 9

La corriente de Foucault es también reducida al mínimo en metales amorfos. El desorden atómico y el alto contenido soluto (metaloide y componentes no metálicos) de los metales amorfos limitan el libre camino de los electrones, lo que resulta en resistividad eléctrica de dos a tres veces mayor que en las aleaciones cristalinas. El fino espesor de los metales amorfos, generalmente 25 micras (µm), en comparación a 200 micras del acero de grano orientado de silicio, aumenta la resistencia eléctrica total. Alta resistencia eléctrica en el componente magnético suprime las perdidas magnéticas por corriente de Foucault.-

La relativa eficiencia de metal amorfo y del acero de grano orientado de silicio en transformadores de distribución se ilustra en la fotografía infrarroja de la Figura 10. Estas imágenes comparan un transformador corecoil calentado por perdidas en el núcleo. El análisis indica que el acero de grano orientado de silicio grano alcanza una temperatura promedio de 332º K (59° C), mientras que el metal amorfo más eficiente presenta una temperatura de 304º K (31° C).-

Figura 10. Fotografías infrarrojas de (a) acero de grano orientado y (b) metal amorfo

La estabilidad de las propiedades magnéticas de los metales amorfos basados en Fe ha sido una faceta importante en sus calificaciones para utilizarlos en sistemas de distribución de energía eléctrica. Dispositivos tales como los transformadores de distribución se diseñan para tener una performance optima por un período de hasta 30 años. Si bien es impráctico testear las propiedades de los materiales en servicio efectivo durante esos largos periodos de tiempo, las pruebas de envejecimiento acelerado se han utilizado para predecir el rendimiento a largo plazo.-

Los procesos de envejecimiento en metales cristalinos pueden describirse mediante una simple reorganización estructural de los átomos. Estos procesos pueden ser modelados con una única energía de activación. En los metales amorfos sin embargo, las mociones atómicas son más complejas y pueden variar de un sitio a otro. Por lo tanto los modelos basados en las energías de activación única no son aplicables. Por lo tanto un modelo de “espectro de energía de activación” (AES), desarrollado originalmente para describir el comportamiento de envejecimiento de óxidos, ha sido adaptado para describir el comportamiento de envejecimiento de los metales amorfos.-

Las aleaciones amorfas basadas en Fe utilizadas en los núcleos de los transformadores soportan pruebas aceleradas de envejecimiento a 543º K (270° C) durante un máximo de 30 días. Con base en estas observaciónes, el modelo AES predice que el núcleo tiene una vida útil de más de 1000 años a una temperatura de 398º K (125° C). En comparación, el servicio continuo de temperatura de un transformador es típicamente 353-373ºK (80-100° C). Los resultados de las pruebas de campo actuales sobre las aleaciones amorfas verifican el modelo AES.-

Otras Propiedades

Tal como los metales cristalinos, los vidrios metálicos tienen electrones libres para conducir la electricidad, lo cual los hace a ambos conductores eléctricos y térmicos. Sin embargo, comparados con las aleaciones cristalinas no son especialmente buenos conductores, debido a su desordenada estructura atómica y altos niveles de elementos aleados. A veces se supone que los vidrios metalicos, como el óxido de vidrios comunes, son transparentes a la luz visible, pero no es así. Fotones en longitudes de onda visibles están muy dispersos y son absorbidos por la conducción de electrones. Como resultado de ello, gafas metálicas tienen un brillo típico de otros metales y no son transparentes, como se puede ver en la siguiente figura.-

Figura 11

Otra reivindicacion común sobre los vidrios metálicos es que son resistentes a la corrosión, una propiedad que suele atribuirse a la falta de límites de grano cristalino (que en los metales ordinarios cristalino puede ser particularmente susceptibles al ataque químico). Es cierto que algunas aleaciones amorfas son resistentes a la corrosión, pero otras no lo son, por lo que debe tenerse en cuanta el tipo de aleación.-

METAL GLASS

Metal Glass – Introducción y Fabricación
Metal Glass – Estructura
Metal Glass – Evolución Historica
Metal Glass – Propiedades
Metal Glass – Aplicaciones

En 1969, se encontro una aleación de 77,5% paladio, 6% de cobre, y 16,5% de silicio la cual te-nia una velocidad critica de enfriamiento entre 100 K/s a 1000 K/s.-
Turnbull y Chen formaron esferas amorfos de Pd-H-Si (con M = Ag, Cu, o Au) a tasas de enfriamiento crítico de 100° C s^-1 a 1000° C s^-1, específicamente Pd_77.5Cu₆Si_16.5 con un diámetro de 0,5 mm. En algunas aleaciones Pd-Cu-Si y Ag-Pd-Si, el rango de líquido superenfriado (temperatura de transición entre la cristalización y la formación vítrea) se amplió a 40º K, lo que permitio la primera realización de estudios detallados de cristalización en vidrios metálicos.-
En 1974, Chen obtuvo un espesor crítico de fundición de 1 mm con Pd-TP (T = Ni, Co, Fe)  y un grosor ligeramente mayor con Au₅₅Pb_22.5Sb_22.5 en 1982.-

En 1976, H. Liebermann y C. Graham desarrollaron un nuevo método de fabricación de cintas delgadas de metal amorfo en una rueda superenfriada de giro rapido. Se trataba de una aleación de hierro, níquel, fósforo y boro. El material, conocido como Metglas, fue comercializado a principio de 1980 y utilizado para transformadores de distribución de baja pérdidas de potencia (transformadores de metal amorfo). Metglas-2605 está compuesto de un 80% hierro y el 20% de boro.-

En el decenio de 1980, lingotes vidriosos con 5 mm de diámetro fueron producidos a partir de la aleación de 55% paladio, 22,5% de plomo y 22,5% antimonio. El uso de un flujo de óxido de boro,  aumentó el espesor alcanzable a un centímetro.-
Desde 1980, Akihisa Inoue, del Instituto de Investigación de Materiales  dependiente de la Universidad de Tohoku, y William L. Johnson, de Caltech han descubierto aleaciones vidriosas de múltiples componentes La, Mg, Zr, Pd, Fe, Cu, Ti; aleaciones a bajas tasas de enfriamiento comprendidas entre 1° C s^-1 a 100° C s^-1 , similar al óxido vidrioso. Estas propiedades permiten un aumento en el tiempo (de milisegundos a minutos) antes de la cristalización, lo que permite un mayor espesor crítico (> 1 cm) por moldeo convencional.-

En 1988, se comprobó que las aleaciones de lantano, aluminio y mineral de cobre presentaban facilidad para ser convertidas en vidrios metalicos.-
Inoue descubrió que La-Al-TM (TM = Ni, Cu) es fácilmente convertido en un material vidrioso, mientras que la investigación de la mezcla de materiales de tierras raras, como lantánidos con Al y metales ferrosos. Utilizando moldes de Cu, consiguieron producir La₅₅Al₂₅Ni₂₀ vidrioso hasta 5mm de espesor, en 1991, La₅₅Al₂₅Ni₁₀Cu₁₀ hasta un espesor de9 mm. Tambien se demostro que Mg-TM-Y posee alta capacidad de formación de vidrio en forma de Mg₆₅Cu₂₅Y₁₀₈ . Una extensa región de líquido superenfriado (a 127º K) se logró de Zr-Al-Ni-Cu, con un espesor critico de fundición, de 15 mm para Zr₆₅A_l7.5Ni₁₀Cu_17.5 . Johnson y Peker de Caltech desarrollaron una aleación sobre la base de Zr-Ti-Cu-Ni en 1992, Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni_10.0Be_22.5, como parte de un proyecto financiado por la NASA y el Departamento de Energia de los EEUU para desarrollar nuevos materiales aeroespaciales. Con espesor crítico de fundición de hasta 10 cm posible en contenedores de sílicio, la aleación se conoce como Vitreloy 1 (Vit1), el primer BMG (cristal metalico a granel) comercial. Variantes incluyen Vit2 (Zr_46.75-Ti_8.25Cu_7.5Ni₁₀Be_27.5). Más recientemente, Kündig en ETH Zurich ha estado investigando aleaciones de Zr-Ti-Cu-Ni-Al, centrándose en aquellas similares a Vit 105 (Zr_52.5Ti₅Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀), una de las mejores aleaciones.-

En la década de 1990, sin embargo, se han desarrollado nuevas aleaciones con tasas de enfriamiento tan bajo como un grado Kelvin por segundo. Estas tasas de enfriamiento se pueden lograr mediante un simple fundido en moldes metálicos. Estas aleaciones amorfas “a granel” pueden ser fundidas en partes de hasta varios centímetros de espesor (el espesor máximo es función de la aleación), manteniendo al mismo tiempo una estructura amorfa. La mejores aleaciónes vidriosa se basan en circonio y  paladio, pero las aleaciones a base de hierro, titanio, cobre, magnesio y otros metales también son conocidos. Muchas aleaciones amorfas están formadas por la explotación de un fenómeno llamado el efecto “confusión”. Esas aleaciones contienen tantos elementos diferentes (a menudo más de una docena) que, tras el enfriamiento a tasas suficientemente rápido, los átomos constitutivos no se pueden coordinar a sí mis-mos en un estado cristalino de equilibrio antes de que la movilidad sea detenida. De esta manera, el estado desordenado azaroso de los átomos es “capturado”.-

Bajo los auspicios de un período de tres años en la Red Europea RTN en metales vidriosos a granel, que concluyó en abril de 2003, grupos en: el Instituto National Politecnico de Grenoble, el Instituto Leibniz de Estado Sólido y Materiales de Investigación Dresde, Instalaciones de Radiacion Sincróton Europeas, el Instituto de Ciencia de los Materiales y Metalurgia de Cracovia, la Universidad Complutense de Madrid, la Universidad Autónoma de Barcelona, y las Universidades de Cambridge, Sheffield, Ulm y Turín colaboraron en el desarrollo de Zr, Mg, Fe, Al, Pd, Hf y las aleaciones a base de Nd. Investigación destinada a aumentar las concentraciones de elementos ligeros, tales como Ti, Al y Mg en el medio ambiente seguro, libre de ser aleaciones a base de Zr.-

Una descripción general del espesor critico de fundición y la fecha de descubrimiento se muestra en la fig. 7. Los progresos han sido significativos y se resumen a continuación.-

El espesor critico de fundición versus el año en el que se descubrieron las aleaciones. En más de 40 años, el espesor crítico de fundición se ha incrementado en más de tres órdenes de magnitud.-

Figura 7

En el 2003, Joseph Poon y Gary Shiflet de la Universidad de Virginia en Charlottesville anunciaron el primer vidrio de acero, que contiene carbono, hierro y un poco de manganeso.
Como el manganeso no es magnético, el material resultante fue uno de los primeros aceros no magnéticos. Podría ser un gran avance ya que los barcos construidos de acero no magnético serían capaces de eludir la detección de radar más fácilmente. El material de Poon y Shiflet sigue siendo bastante frágil, pero el proceso es rápido. De hecho, los investigadores ahora saben que ellos buscan la unión parecida a un líquido, ellos han sido capaces de producir un número de unos pocos nuevos cristales metálicos baratos en los meses pasados. “En lugar de tardar dos meses buscando materiales al azar, se pueden encontrar en un día o dos días”, dice Poon.-

La compañía Liquidmetal ya produce cristal a base de platino metálico para dispositivos médicos, hojas de bisturí y raquetas de tenis profesionales. Inoue en Japón ha usado el cristal metálico para construir un motor en miniatura. El Departamento de Defensa de los Estados Unidos está estudiando como alternativas no tóxicas de uranio empobrecido en las puntas de proyectiles perforantes de blindaje. Liquidmetal ha firmado un contrato con Samsung para hacer partes de teléfonos móviles.-

METAL GLASS

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El ejemplo más familiar es la ventana de vidrio ordinaria, que se realiza principalmente de silicio y oxígeno. Pero, de hecho, una amplia gama de materiales se pueden producir en forma de vidrio, incluyendo metales, semiconductores, compuestos iónicos, y polímeros.-

El vidrio metálico (metal glass) suena a un oxímoron (consiste en armonizar dos conceptos opuestos en una sola expresión, formando así un tercer concepto), y en un modo lo es. Describe una aleación metálica con una estructura caótica. Mientras los átomos metálicos normalmente se arreglan en series ordenadas, o cristales, los átomos en un vidrio metálico son un revoltijo desordenado, más bien como los átomos en un líquido o un vidrio. Aunque en sentido estricto un vidrio metálico no es un líquido, porque los átomos se encuentran fijos en su lugar.-
Es esta estructura inusual lo que hace al vidrio metálico una promesa. En aleaciones cristalinas metálicas, los átomos son ordenados dentro de regiones llamados “granos” (grain) , y las fronteras entre los granos son los puntos de debilidad en el material. Los vidrios metálicos, sin embargo, no tienen ninguna frontera de grano, entonces son mucho más fuertes. Si golpeamos un metal cristalino con un martillo y este se doblará, absorbiendo parte de la energía del golpe, dándole paso a lo largo de las fronteras de granos. Pero los átomos en un metal amorfo se encuentran fuertemente embalados, y fácilmente regresan a su forma original después de un golpe (fig 2).-
Estos materiales carecen de granos cristalinos voluminosos, por lo que pueden ser fabricados en formas de tan sólo 10 nanómetros de ancho. Y su estructura parecida a la de un líquido significa que se derriten a bajas temperaturas, y pueden ser moldeados casi tan fácilmente como los plásticos.-

Los metales están entre los materiales más difíciles de convertir en vidrios. Esto ocurre porque cuando las aleaciones fundidas son enfriadas, ellas inevitablemente comienzan a cristalizarse con series ordenadas de átomos que nacen desde varios puntos en el líquido fundido.-

Pero con un control cuidadoso sobre la composición de la aleación y el tratamiento, una gran variedad de aleaciones pueden producirse en forma vidriosa.-

La estructura desordenada de los cristales les da propiedades únicas, el más distintivo es la transición del cristal. Un metal cristalino se derretirá a una temperatura específica cuando se lo calienta. Un vidrio gradualmente se ablanda, cambiando de sólido a líquido sobre una gama de temperatura. Esto puede ser muy útil para procesar vidrios metalicos en formas complejas, como se usa en los trabajos artesanales.-

En un cristal (fig 3.a), hay mucha regularidad o orden en las posiciones atómicas. En comparación, las posiciones atómicas en un vidrio (fig 3.b) son mucho más desordenadas.-

Existen varias cosas para destacar de estos modelos simples. En el cristal, el medio ambiente local alrededor de cada átomo es el mismo: Cada átomo tiene seis vecinos, todos a la misma distancia. (En tres dimensiones, cada átomo tendría doce vecinos.) En el vidrio, cada átomo tiene alrededor de seis vecinos, en promedio, pero algunos átomos tienen menos de seis, mientras que otros tienen más. Además, los átomos vecinos en torno a un átomo no están todos a la misma distancia, sin embargo se puede definir una distancia promedio entre los átomos cercanos. Los mismos principios básicos se aplican a los vidrios metálicos reales, pero la situación es más compleja porque los vidrios metálicos suelen tener más de un tipo de átomo.

Podemos estudiar la estructura a escala atómica de los vidrios metálicos utilizando algunas de las mismas técnicas empleadas para el estudio de materiales cristalinos. La técnica ampliamente utilizada es la difracción de rayos-X. Debido a su naturaleza ondulatoria, los rayos-x se difractaran del plano regularmente espaciado de los átomos del cristal, basándose en la Ley de Bragg:

Donde θ es la mitad del ángulo de dispersión, λ es la longitud de onda de los rayos x, y d es la distancia entre los planos atómicos. En un experimento de difracción de rayos-x, la intensidad de los rayos-x difractados se mide en función de θ, como se muestra esquemáticamente en la siguiente figura:

Si la ley de Bragg se cumple, los rayos-x difractaran fuertemente y se registrará una gran intensidad. Debido a la naturaleza altamente ordenada de un cristal, esto sucederá sólo en unos pocos ángulos. Por lo tanto, el patrón de difracción de un cristal se compone de pocos picos agudos de difracción, como se muestra en la figura 5.-

La estructura atómica desordenada de un vidrio, por otra parte, conduce a un patrón de difracción de sólo unos pocos, amplia característica de dispersión, como se muestra en la parte inferior del patrón anterior.-

La diferencia en la estructura también puede ser vista en un microscopio electrónico. A continuación se muestran dos imágenes del microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HRTEM). En la imagen de la izquierda, se puede ver claramente el contraste muy ordenado asociado a la periodicidad de un cristal. En la imagen de la derecha, la cual es de un vidrio, no hay características periódicas.-

Lamentablemente, sólo información limitada acerca de la estructura a escala atómica de los vidrios puede ser obtenida a partir de estas técnicas.

METAL GLASS

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