Flüssigmetall

Begriff und Grundidee

Flüssigmetall bezeichnet allgemein Metalle im flüssigen Zustand. Der Begriff wird aber nicht einheitlich verwendet: In der Technik kann er für Metalle stehen, die während ihrer Anwendung flüssig sind, und im Handel auch für Produkte, die gar keine reinen flüssigen Metalle sind, etwa Metallpulver-Epoxidharz-Dispersionen, leitfähige Klebstoffe oder Wärmeleitpasten.

Wichtig ist deshalb die Unterscheidung: Ein echtes Flüssigmetall ist ein Metall oder eine Metalllegierung im flüssigen Zustand. Handelsprodukte mit diesem Namen können dagegen Pasten, Klebstoffe oder Beschichtungen sein, die Metallpartikel enthalten und nach dem Aushärten metallähnliche Eigenschaften zeigen.

Flüssige Metalle bei Raumtemperatur

Bei Raumtemperatur von 20 °C ist nur ein metallisches Element flüssig: Quecksilber. Sein Schmelzpunkt liegt bei −38,83 °C. Manchmal werden auch Francium mit geschätzten 27 °C, Cäsium mit 28,44 °C und Gallium mit 29,76 °C Schmelztemperatur zu den elementaren Flüssigmetallen gezählt, obwohl sie bei 20 °C nicht alle flüssig sind.

Es gibt auch Legierungen, also Mischungen aus Metallen, die bei Raumtemperatur flüssig sind. Dazu gehören Legierungen aus Alkalimetallen wie NaK, eine Legierung aus Natrium und Kalium; galliumhaltige Legierungen wie Galinstan aus Gallium, Indium und Zinn; und quecksilberhaltige Legierungen wie eine eutektische Quecksilber-Thallium-Legierung mit 8,5 % Thallium, die bei −58 °C schmilzt. „Eutektisch“ bedeutet, dass eine Mischung bei einer besonders niedrigen Temperatur schmilzt.

Flüssige Metalle werden zum Beispiel in Flüssigkeitsthermometern, als Elektroden, als Kühlmittel oder in Wärmeleitpasten verwendet. Bei der Nutzung an offener Atmosphäre gibt es starke Einschränkungen. Gallium bildet im festen Zustand ähnlich wie Aluminium eine schützende, passivierende Oxidschicht. Im flüssigen Zustand bricht diese Schicht jedoch auf, sodass Gallium mit der Zeit oxidiert. Alkalimetalle sind an Luft nicht geeignet, weil sie extrem schnell korrodieren; bei höheren Temperaturen oder zusammen mit Wasser besteht sogar Explosionsgefahr. Quecksilber verdunstet schon bei Raumtemperatur und ist stark toxisch. Deshalb ist sein Einsatz an freier Atmosphäre in der EU und in vielen anderen Ländern verboten oder streng geregelt.

Niedrigschmelzende Legierungen

In der Technik werden auch solche Metalle als Flüssigmetall bezeichnet, die bei ihrer konkreten Anwendung flüssig sind. Gemeint sind dabei vor allem Metalle mit Schmelzpunkten unter 350 °C. Ein Beispiel ist flüssiges Zinn bei der Herstellung von Fensterglas: Beim Floatglas-Verfahren fließt die Glasschmelze auf flüssigem Zinn und härtet dort aus. Ein weiteres Beispiel ist flüssiges Natrium, das als Kühlmittel in Kernreaktoren, besonders in schnellen Brütern, oder in Hochleistungsmotoren verwendet wird.

Viele niedrigschmelzende Metall-Legierungen sind eutektische Mischungen aus Elementen, die schon einzeln vergleichsweise niedrige Schmelzpunkte haben. Besonders wichtig sind Bismutlegierungen und Galliumlegierungen. Die Tabelle des Artikels nennt unter anderem Roses Metall, Cerrosafe, Woodsches Metall, Fieldsches Metall, Cerrolow-Legierungen, EGa-In und EGa-In-Sn beziehungsweise Galinstan.

Die Zusammensetzungen werden in Gewichtsprozent angegeben. Beispiele sind Woodsches Metall mit etwa −70 °C Schmelzpunkt und den Bestandteilen 50 % Bismut, 26,7 % Blei, 13,3 % Zinn und 10 % Cadmium; Fieldsches Metall mit etwa −62 °C und 32,5 % Bismut, 16,5 % Zinn und 51 % Indium; sowie EGa-In mit etwa −15,5 °C und 75,5 % Gallium sowie 24,5 % Indium. Für EGa-In-Sn nennt der Artikel etwa −10,5 °C bei 68,5 % Gallium, 21,5 % Indium und 10 % Zinn. Bei Galinstan wird außerdem ein Schmelzpunkt von etwa −19 °C angegeben; dieser niedrigere Schmelzpunkt und auch die Oberflächenspannung entstehen durch Beimengungen, zum Beispiel von Fließmittel, und liegen unter denen der reinen eutektischen Ga-In-Sn-Legierung.

Dispersionen und Handelsprodukte

Im Handel tragen viele Produkte den Namen Flüssigmetall, obwohl sie meist keine flüssigen Metalle im engeren Sinn sind. Häufig handelt es sich um Metall- oder Keramik-Dispersionen in Epoxidharz. Eine Dispersion ist ein Gemisch, bei dem feine Teilchen in einem anderen Stoff verteilt sind. Solche Produkte, etwa Petec Flüssigmetall, Loctite 3450 oder Conrad Flüssigmetall, härten aus und besitzen danach metallähnliche Materialeigenschaften. Sie werden zum Verkleben oder Ausbessern von Metallgegenständen genutzt. Auch Wärmeleitpasten wie Arctic Silver werden manchmal als Flüssigmetalle bezeichnet.

Weitere Handelsprodukte bestehen aus Metallpulver, das in ein Polymer eingebettet ist. Sie lassen sich ähnlich wie Öl oder Paste verarbeiten und können unter bestimmten Bedingungen metallische Eigenschaften wie Festigkeit nachbilden.

Der Artikel nennt außerdem Legierungen und aufbereitete Metallmischungen, die im kalten Spritz- oder Lackierverfahren aufgetragen werden können, etwa Reflex S01, Gunsmoke, Bronze, Messing sowie Aluminium, Eisen, Kupfer und Zinn. Dabei werden Metallpartikel kalt mit Polyester und Härter gemischt und sind dann etwa 60 Minuten lackierbar. Eingesetzt werden können Lackieranlagen wie im Kfz-Bereich oder industrielle Lackieranlagen. Die aufgebrachte Schicht ist etwa 180 µm dick, dickere Schichten sind möglich. Wird die Oberfläche durch Schleifen um etwa 25 µm reduziert, wird vor allem Lackiernebel abgetragen. Danach enthält die Oberfläche etwa 95 % Metall; die gesamte Matrix enthält etwa 85–90 % Metall. Die Oberflächen besitzen nahezu alle Eigenschaften solider Metalle, sind jedoch elektrisch nichtleitend. Sie können weiter behandelt werden, etwa matt, satiniert, hochglänzend oder patiniert in grün, schwarz oder rostfarben.

Metallische Gläser

Der Begriff Flüssigmetall kann auch durch die Übersetzung des Firmennamens Liquidmetal Technologies missverstanden werden. Die von dieser Firma hergestellten Legierungen bilden metallische Gläser. Metallische Gläser sind amorphe, also nicht kristallin geordnete, metallische Werkstoffe. Sie sind bei Raumtemperatur nicht flüssig und haben Schmelzpunkte von mehreren hundert Grad Celsius.

Zwar werden Gläser in der Physik oft als „eingefrorene Flüssigkeiten“ betrachtet, im allgemeinen Sprachgebrauch sind sie jedoch keine Flüssigkeiten. Wenn besonders in populärwissenschaftlichen Artikeln über metallische Gläser von Flüssigmetall die Rede ist, beruht das laut Artikel meist auf sprachlichen Missverständnissen und mangelnder Sachkenntnis.