敲不碎的“玻璃之王”

楊慧玲

你還記得嗎？經(jīng)典電影《終結(jié)者》中的反派——陰魂不散的“T-1000”液態(tài)金屬機(jī)器人是由一種記憶液態(tài)金屬制成的，他能夠毫不費(fèi)力地從人形變?yōu)橹鄙龣C(jī)或者其他任何形狀的東西，甚至可以從門縫輕松地流過(guò)。那么在現(xiàn)實(shí)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(xué)家們已經(jīng)研制出了可與電影中“T-1000”性能相媲美的金屬玻璃，其強(qiáng)度是工業(yè)用鋼材料的3倍以上，柔韌性則是工業(yè)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(shí)，金屬玻璃又名“非晶態(tài)合金”，它是一類具有熱力學(xué)非平衡特征和亞穩(wěn)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(wú)序結(jié)構(gòu)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(qiáng)度，且有一定的韌性。所以，人們贊揚(yáng)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(qū)域內(nèi)有序排列，形成晶粒。因此，通過(guò)某些方法可以阻止金屬熔體在凝固過(guò)程中形成晶粒，使得原本應(yīng)該按照一定規(guī)則排列的原子在混亂無(wú)序的排列狀態(tài)中就被固定下來(lái)，從而形成原子排列無(wú)序、具有獨(dú)特性質(zhì)的金屬玻璃。這就是制備金屬玻璃的原理。

早在20世紀(jì)20年代，科學(xué)家就已經(jīng)開(kāi)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(xué)家是德國(guó)科學(xué)家Krammer，他首次采用氣相沉積法制得金屬玻璃膜。目前關(guān)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(tài)的金屬迅速冷卻，以致金屬原子來(lái)不及重新排列而形成雜亂無(wú)章的組合，由此產(chǎn)生金屬玻璃（由于要求迅速冷卻，一般只能生產(chǎn)很薄的條狀物、導(dǎo)線或粉末）。

單輥淬火法即將熔融金屬噴到高速旋轉(zhuǎn)的輥面（機(jī)器上旋轉(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高（能以每秒數(shù)十米的速度生產(chǎn)），適用于連續(xù)生產(chǎn)，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(xué)院杜威茲教授等人通過(guò)該方法，將高溫合金熔體噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，以每秒約100萬(wàn)度角的超高速度冷卻熔體，使得金屬熔體中無(wú)序的原子來(lái)不及重排，從而制得金-硅金屬玻璃條帶。目前美國(guó)生產(chǎn)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(huán)鍍液電鍍槽，向處理干凈的金屬電極中通入恒定電流，通過(guò)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(shù)研究發(fā)展中心發(fā)布了2019年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展，其中中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)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(xiàng)成果不僅為解決金屬玻璃新材料高效探索的難題開(kāi)辟了新的途徑，也為新型高溫、高性能合金材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

——優(yōu)良性質(zhì)和應(yīng)用

那么，金屬玻璃有哪些優(yōu)良性質(zhì)，以及被應(yīng)用在哪些方面呢？

首先，金屬玻璃具有極高的強(qiáng)度。當(dāng)金屬玻璃固體系統(tǒng)原子排列無(wú)序時(shí)，金屬玻璃的強(qiáng)度和抗腐蝕能力顯著增強(qiáng)。金屬玻璃家族的屈服強(qiáng)度分布于0.5 —6 GPa的范圍內(nèi)，而已知的鐵基或鈷基金屬玻璃強(qiáng)度一般為3—6 GPa。這個(gè)數(shù)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(jiàn)金屬玻璃強(qiáng)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(lái)制造高壓容器和火箭等的關(guān)鍵部位的零件。

最后，金屬玻璃具有極強(qiáng)的抗腐蝕性。由于金屬玻璃沒(méi)有金屬那樣的晶粒邊界，腐蝕劑無(wú)空可鉆，所以從根本上解決了金屬晶界的腐蝕問(wèn)題。金屬玻璃可以經(jīng)受多種化學(xué)溶液的腐蝕，它的抗腐蝕性要比不銹鋼強(qiáng)100倍，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

除此之外，金屬玻璃還有磁導(dǎo)性、耐磨性、高硬度等特性。如果大家對(duì)此感興趣，可以閱讀材料專業(yè)相關(guān)的書(shū)籍。

由于金屬玻璃的優(yōu)良性質(zhì)，其在社會(huì)方方面面都有應(yīng)用。電力運(yùn)輸方面，由于金屬玻璃的軟磁性高，目前已經(jīng)在電力轉(zhuǎn)換（如變壓器）等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。靜電復(fù)印方面，美國(guó)施樂(lè)公司利用非晶態(tài)銫的光導(dǎo)特性，發(fā)展了新的靜電復(fù)印技術(shù);體育健材方面，鋯基大塊金屬玻璃用于制造高爾夫球具、網(wǎng)球拍、棒球等;軍事領(lǐng)域方面，利用鎢絲增強(qiáng)的鋯/鈦基大塊金屬玻璃制造穿甲彈彈芯材料;防盜標(biāo)簽方面，磁敏感的金屬玻璃用于書(shū)、光盤的防盜標(biāo)簽;電子設(shè)備方面，金屬玻璃已在高端手表、手機(jī)、筆記本的外殼上得到應(yīng)用。未來(lái)，金屬玻璃還將在機(jī)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(lǐng)域大顯身手。

這就是神奇的金屬玻璃，敲不碎的“玻璃之王”。