Massive Metallische Gläser (Bulk Metallic Glass, ’BMG’) sind eine neue Klasse metallischer Legierungen, die sich durch ihre amorphe Struktur von herkömmlichen kristallinen Legierungen unterscheiden. Die amorphe Struktur von BMGs weist keine kristallinen Defekte wie Korngrenzen, Zwillinge und Versetzungen auf, was zu ihren wünschenswerten Eigenschaften führt, darunter hohe Elastizität, Härte, Zähigkeit, gute Verschleißfestigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit. Da BMG jedoch schnell abgekühlt werden muss, ist die Herstellung komplexer Formen durch Gießen nur begrenzt möglich, was ihre praktischen Anwendungen einschränkt. Glücklicherweise können BMGs durch thermoplastische Umformung (TPF) durch viskose Fließverformung geformt und modelliert werden, wenn sie auf den Bereich der unterkühlten Flüssigkeit (SCLR) erhitzt werden. Daher zielt die vorliegende Arbeit darauf ab, die praktische Anwendbarkeit und Funktionalität von BMGs durch TPF-Ansätze zu verbessern.
Der erste Schwerpunkt liegt auf der „Designfähigkeit“. Es wurde angenommen, dass ‘‘BMGs nicht verformt und strukturiert werden können, sobald die Materialien kristallisiert sind.’’ Die Bedenken bezüglich der Kristallisation während der TPF sind der Verlust der Verformbarkeit und der mechanischen Eigenschaften von BMGs. In dieser Arbeit wird Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 BMG verwendet, um zu zeigen, dass ‘‘wenn das anfängliche Kristallisationsereignis die Bildung von Nanokristallen ist, die BMGs immer noch mittels TPF geformt und strukturiert werden können, sogar mit der Nanokristallisation.’’ Eine TPF-Strategie, die eine Nanokristallisation während des Prozesses ermöglicht, wird eingesetzt, um Oberflächenmuster von der Makro- bis zur Nanoskala und hierarchische Strukturen zu erzeugen, die Mikro- und Nanomuster auf derselben Oberfläche integrieren. Darüber hinaus legt die Studie nahe, dass Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 BMG eine Kristallisationstoleranz gegenüber TPF besitzen und eine leichte Kristallisation möglich ist, bevor sie ihre mechanischen Eigenschaften verlieren.
Der zweite Schwerpunkt demonstriert die „Vielseitigkeit“ für biomedizinische Anwendungen. In-vitro-Assays mit Saos-2-Zelllinien wurden an vier verschiedenen Oberflächentopografien von Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 BMG getestet, darunter: (a) flach (spiegelpoliert), (b) Mikromuster (2,5 μm große quadratische Erhebungen), (c) Nanomuster (400 nm große Erhebungen), (d) hierarchisches Muster (400 nm große Erhebungen auf 2,5 μm großen quadratischen Erhebungen). Auf der Grundlage der Ergebnisse von In-vitro-Studien werden zwei potenzielle biomedizinische Anwendungen von TPF-gemustertem Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 BMG vorgeschlagen: (i) Implantate für zahnmedizinisches oder orthopädisches Gewebe und (ii) ein Instrumentarium zur Untersuchung der Zellreaktion auf starren und geordneten Oberflächen.
Der letzte Schwerpunkt ist die Kombination von „Designfähigkeit“ und „Vielseitigkeit“ für katalytische Anwendungen. Die Leistung der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) von Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5 BMG mit flachen, mikrostrukturierten und nanostrukturierten Oberflächen wird erforscht. Das nano-strukturierte Pt-BMG zeigt Langzeitstabilität und selbstverbesserndes Verhalten nach 1000 LSV-Zyklen (Linear Sweep Voltammetry). Oberflächencharakterisierungen zeigen, dass sich nach 1000 LSV-Zyklen eine Schicht aus CuxO-Schaum auf der nanostrukturierten Oberfläche gebildet hat. Die Bildung des CuxO-Schaums wird durch einen dreistufigen Prozess erklärt, der die Cu-Auflösung von Pt-BMG und die dynamische Wasserstoffblasen-Templating (DHBT)-Elektroabscheidung ohne Verwendung von Kupfersalz umfasst.
Die vorliegende Arbeit zeigt die Möglichkeit auf, das TPF-Verfahren für eine breite Palette mittelmäßiger glasbildender Systeme und teilkristalliner Verbundwerkstoffe in oberflächenverbesserte Funktionswerkstoffe zu verwandeln, ohne dass die mechanischen Eigenschaften darunter leiden. Über Implantatanwendungen hinaus bieten biokompatible BMGs einen Werkzeugkasten für die Untersuchung von Zellreaktionen auf starren und geordneten Oberflächen in der biomedizinischen Forschung. TPF-gemusterte BMGs mit einer Kombination aus dynamischer Blasenschablonierung und Elektroabscheidung könnten eine praktikable Strategie zur Synthese von Metall- oder Metalloxidschäumen für katalytische Anwendungen sein.