Metallisk glass - sterkere enn stål

Forskere har lenge visst at metaller med glasstruktur har unike egenskaper. Nå klarer man å fremstille dem industrielt også.

Tiger Woods: For mer enn 10 år siden testet han golfkøller innlagt med metallisk glass. Foto: Phelan M. Ebenhack/NTB
Livsstil

Denne artikkelen ble første gang publisert i Kapital nr. 17/18.

PGA Tour Championship gikk av stabelen I Atlanta/USA fra 20. til 23. september. Det er golfsesongens prestisjefylte avslutningsturnering, der bare verdens 30 beste herregolfspillere får delta. Etter glimrende spill var det Tiger Woods som kunne inkassere det gjeve seierstrofeet og ca. 15 millioner kroner i direkte pengepremie.

Nettopp Tiger Woods var den første “store” profesjonelle golfspilleren som prøvespilte en golfkølle der det var innlegg av metallisk glass i køllehodet. Det skjedde for mer enn ti år siden.

Fabrikanten Liquidmetal reklamerte med at køllene ga minst 8 til 10 meters ekstra på de leng- ste slagene, og at slagfølelsen var mykere. Hva Tiger syntes, sier ikke kildene noe om, men andre spillere understøttet fabrikantens påstander.

Etter få år ble imidlertid golfkølleproduksjonen nedlagt. Køllene var for dyre og vanskelige å fremstille med stabil kvaliet. (Men på eBay ligger faktisk endel Liquidmetal golfkøller ute for salg.)

Mer suksess har Liquidmetal hatt med komponenter til tennisracketer. Tennislegenden Andre Agassi vant flere av sine største seire midt på 2000-tallet med en Head Radical Liquidmetal racket.

Figur 1: Metaller har krystallinsk struktur der atomene er ordnet i regelmessige oppstillinger. I glass og andre amorfe materialer ligger atomene “kaotisk” uten mønster. Foto: Kapital
Figur 2: Overlegne mekaniske egenskaper. Metallisk glass har høyere trykkmotstand enn stål og tåler fire ganger så høy strekkbelastning uten å bli varig deformert. Figur etter Mark Telford: The case for bulk metallic glass. Foto: Kapital

Hva er metallisk glass?

Hvordan kan det ha seg at metallisk glass gir mer kraft og samtidig en mykere slagfølelse i golfkøller og tennisracketer? Og hva er i det hele tatt metallisk glass?

For å ta det siste først: Betegnelsen “metallisk glass” kan virke forvirrende på oss legfolk fordi det faktisk er snakk om metall, men fremstilt på en måte så det får glassets atomstruktur. For materialforskerne er det da pr. definisjon glass. Derav navnet.

Mens metaller har en såkalt krystallinsk struktur, der atomene er ordnet i regelmessige mønstre, har glass en amorf struktur, der atomene ligger helt uregelmessig; nærmest kaotisk. Jfr. figur 1.

Metallenes krystallstruktur oppstår under størkning fra flytende tilstand, ved at de atomære kreftene sørger for at atomene organiserer seg i mønster før metallet har blitt hardt.

Når man skal fremstille metallisk glass, nedkjøler man det smeltede metallet så fort at de atomære kreftene ikke “rekker” å virke så lenge at krystallmønster kan dannes, så atomene blir liggende “kaotisk” etter størkning.

Metallisk glass ble fremstilt første gang på California Institute of Technology i 1960 basert på en legering av gull og silisium. For at den blandingen skulle bli amorf, måtte nedkjølingshastigheten være større enn 1.000 grader på ett millisekund.

Det sier seg selv at slikt bare kan oppnås i et avansert laboratorium. Uansett var det første amorfe metallet lite praktisk brukbart, ettersom det ikke kunne fremstilles i større tykkelse enn bånd på 0,02 millimeter.

Men alt i 1982 kom førnevnte Liquidmetal med det første kommersielt brukbare metalliske glasset. Det var en legering som besto av zirkon, titan, kobber og beryllium, og kunne brukes som forsterkende innlegg i andre materialer, riktignok fremdeles med veldig små tykkelser.

Siden har fremskrittene vært store, og i USA, Japan og andre steder har forskerne lykkes med å få redusert nødvendig kjølehastighet ned til noen få grader i sekundet, og man kan nå produsere støpt metallisk glass i tykkelser på over 40 millimeter.

Metallisk glass: Tennisstjernen André Agassi vant Australian Open i 2003 med en Head-racket med komponenter av metallisk glass. Foto: NTB

Unike egenskaper

Sjekk figur 2. Som man ser, er metallisk glass vesentlig sterkere og har mange ganger så høy elastisitetsgrense som både stål og titan. Dessuten er det mer motstandsdyktig mot slitasje og korrosjon, har gode elektriske ledningsegenskaper og påvirkes lite av radioaktiv stråling.

Men det er ett problem: Metallisk glass er sprøtt hvis belastningen overskrider elastisitetsgrensen (= den høyeste belastning materialet tåler uten at det får varig deformasjon). Da knekker det som glass, istedenfor å bli permanent bøyd, som tilfelle er med f.eks. stål.

Dette var nok en medvirkende årsak til at Liquidmetal ga opp produksjonen av golfkøller med metallisk glass. Når de mekaniske påkjenningene ble for store, kunne små materialbiter knuse og falle ut, istedenfor som med stålkøller, der det “bare” blir en ørliten varig deformasjon/fordypning.

Golf eller ikke golf: Liquidmetal som firma lever, de og andre firmaer i bransjen produserer nå komponenter av metallisk glass bl.a. for luft- og romfartsindustrien, til bilindustrien, for medisinsk bruk (f.eks. skalpeller), til forsvarsformål (til bl.a. prosjektiler), basert på platina for ripefrie smykker og til sports- og elektronikkindustrien.

Riktignok gikk Liquidmetal Inc med underskudd i 2017, men med de siste gjennombrudd i forskningen øker anvendelsesmulighetene og sjansene for overskudd hos leverandørene drastisk. Og vi skal absolutt ikke se bort fra at vi igjen får se Tiger Woods med en golfkølle med metallisk glass.↔