敲不碎的“玻璃之王”

楊慧玲

你還記得嗎？經典電影《終結者》中的反派——陰魂不散的“T-1000”液態金屬機器人是由一種記憶液態金屬制成的，他能夠毫不費力地從人形變為直升機或者其他任何形狀的東西，甚至可以從門縫輕松地流過。那么在現實生活中，是否也存在類似的神奇的材料呢？答案就是“金屬玻璃”。目前，科學家們已經研制出了可與電影中“T-1000”性能相媲美的金屬玻璃，其強度是工業用鋼材料的3倍以上，柔韌性則是工業用鋼材料的10倍以上。

——什么是金屬玻璃？

金屬玻璃是像玻璃一樣透明的金屬嗎？是和金屬一樣硬的玻璃嗎？抑或是金屬和玻璃做成的合金？其實，金屬玻璃又名“非晶態合金”，它是一類具有熱力學非平衡特征和亞穩特性、以金屬元素為主要組分（其中，金屬元素的百分比為70%以上）并且原子排列處于無序結構的固體材料。一般的玻璃易碎，延展性差，但是金屬玻璃卻有較好的硬度、強度，且有一定的韌性。所以，人們贊揚金屬玻璃為敲不碎的“玻璃之王” 。

——金屬玻璃是怎么形成的？

一般的金屬材料冷卻、凝固后，晶體金屬或者合金中的原子在被稱為晶格的區域內有序排列，形成晶粒。因此，通過某些方法可以阻止金屬熔體在凝固過程中形成晶粒，使得原本應該按照一定規則排列的原子在混亂無序的排列狀態中就被固定下來，從而形成原子排列無序、具有獨特性質的金屬玻璃。這就是制備金屬玻璃的原理。

早在20世紀20年代，科學家就已經開始探索人工制備金屬玻璃的方法和途徑。最早制備出金屬玻璃的科學家是德國科學家Krammer，他首次采用氣相沉積法制得金屬玻璃膜。目前關于制備金屬玻璃的方法主要有以下幾種：快速冷凝法、單輥淬火法、電鍍法。

快速冷凝法即將處于熔融狀態的金屬迅速冷卻，以致金屬原子來不及重新排列而形成雜亂無章的組合，由此產生金屬玻璃（由于要求迅速冷卻，一般只能生產很薄的條狀物、導線或粉末）。

單輥淬火法即將熔融金屬噴到高速旋轉的輥面（機器上旋轉的圓柱形部件）上，利用輥的傳熱作用，使其迅速冷卻。這種方法的優點是生產效率高（能以每秒數十米的速度生產），適用于連續生產，工藝也比較容易把握，可以制備較寬的帶。例如1960年加州理工學院杜威茲教授等人通過該方法，將高溫合金熔體噴射到高速旋轉的銅輥上，以每秒約100萬度角的超高速度冷卻熔體，使得金屬熔體中無序的原子來不及重排，從而制得金-硅金屬玻璃條帶。目前美國生產的世界上最寬的100毫米帶也是由單輥淬火法制備的。

電鍍法是利用循環鍍液電鍍槽，向處理干凈的金屬電極中通入恒定電流，通過控制條件得到金屬玻璃鍍層，適用于特定物體表面。

·小貼士·

2020年2月27日，科技部高技術研究發展中心發布了2019年度中國科學十大進展，其中中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心“基于材料基因工程研制出高溫塊體金屬玻璃”研究成果入選。此項成果不僅為解決金屬玻璃新材料高效探索的難題開辟了新的途徑，也為新型高溫、高性能合金材料的設計提供了新的思路。

——優良性質和應用

那么，金屬玻璃有哪些優良性質，以及被應用在哪些方面呢？

首先，金屬玻璃具有極高的強度。當金屬玻璃固體系統原子排列無序時，金屬玻璃的強度和抗腐蝕能力顯著增強。金屬玻璃家族的屈服強度分布于0.5 —6 GPa的范圍內，而已知的鐵基或鈷基金屬玻璃強度一般為3—6 GPa。這個數字是什么概念呢？拿一輛重約1.5噸的小汽車舉例，如果用普通鋼材吊起它，大概需要7—10根直徑2毫米的鋼筋，而改用鐵基金屬玻璃的話，我們只需要1根就夠了，可見金屬玻璃強度之高。

其次，金屬玻璃還具有堪比塑料的易塑性，有著令人難以想象的韌性和塑性，所以可用來制造高壓容器和火箭等的關鍵部位的零件。

最后，金屬玻璃具有極強的抗腐蝕性。由于金屬玻璃沒有金屬那樣的晶粒邊界，腐蝕劑無空可鉆，所以從根本上解決了金屬晶界的腐蝕問題。金屬玻璃可以經受多種化學溶液的腐蝕，它的抗腐蝕性要比不銹鋼強100倍，具有良好的化學穩定性。

除此之外，金屬玻璃還有磁導性、耐磨性、高硬度等特性。如果大家對此感興趣，可以閱讀材料專業相關的書籍。

由于金屬玻璃的優良性質，其在社會方方面面都有應用。電力運輸方面，由于金屬玻璃的軟磁性高，目前已經在電力轉換（如變壓器）等領域得到廣泛應用。靜電復印方面，美國施樂公司利用非晶態銫的光導特性，發展了新的靜電復印技術;體育健材方面，鋯基大塊金屬玻璃用于制造高爾夫球具、網球拍、棒球等;軍事領域方面，利用鎢絲增強的鋯/鈦基大塊金屬玻璃制造穿甲彈彈芯材料;防盜標簽方面，磁敏感的金屬玻璃用于書、光盤的防盜標簽;電子設備方面，金屬玻璃已在高端手表、手機、筆記本的外殼上得到應用。未來，金屬玻璃還將在機械電子、航天、軍事、精密零件、耐腐蝕材料、軟磁與硬磁材料等領域大顯身手。

這就是神奇的金屬玻璃，敲不碎的“玻璃之王”。