新材料金屬玻璃——玻璃與金屬的無缺合體

【中玻網(wǎng)】新材料金屬玻璃——玻璃與金屬的無缺合體

    A、玻璃與金屬的無缺合體
　　
　　金屬玻璃，顧名思義，就是一種既有金屬特性，也有玻璃特性的新材料。上世紀50年代，這種材料被偶然發(fā)現(xiàn)，但卻被美國物理學家稱為“愚蠢的合金”。今天，金屬玻璃因其特性——強度是不銹鋼或鈦的兩倍，易塑性堪比塑料——正在受到越來越多的關(guān)注。
　　
　　要想了解金屬玻璃，首先還是從玻璃講起。
　　
　　我們生活在充斥著玻璃的世界，很多人都以為玻璃的廣泛應(yīng)用是工業(yè)革命的產(chǎn)物，但事實上，玻璃是人類使用較古老、較廣泛的材料之一。
　　
　　我們的遠古祖先——原始人，很早就在利用天然玻璃黑曜石的斷口，也就是我們常說的“玻璃碴”來宰殺動物、裁制獸皮衣服。玻璃材料對人類文明史產(chǎn)生了不容忽視的影響。正如陶瓷材料貫穿中華文明和文化一樣，自被發(fā)現(xiàn)以來，玻璃材料貫穿古希臘文明、羅馬文明、文藝復(fù)興、歐洲啟蒙運動、工業(yè)革命等歷史時期，直至當代。例如，因為平板玻璃材料的出現(xiàn)，才有了玻璃窗戶，才讓寒冷的北歐適于居住和文明化；有了玻璃，我們的前輩才能研究星體的運動，太陽系的構(gòu)造，以及微生物的奧秘。不少學者認為，玻璃在東西方文化和文明的差異、分歧中扮演了致關(guān)重要的角色。
　　
　　玻璃材料是人類歷史上較偶然的發(fā)明之一。3000多年前，一艘腓尼基人的商船，滿載著晶體礦物“天然蘇打”，航行在地中海沿岸的貝魯斯河上。由于海水落潮，商船擱淺了，于是船員們登上沙灘，把幾塊“天然蘇打”支起作為大鍋，在沙灘上做起飯來。他們撤退時發(fā)現(xiàn)鍋下面的沙地上有一些晶瑩明亮、閃閃發(fā)光的東西！這些閃亮的物體就是較早的人工玻璃。
　　
　　金屬玻璃的發(fā)現(xiàn)也非常偶然。1959年，美國加州理工大學的Duwez在研究晶體結(jié)構(gòu)和化合價較其不同的兩個元素能否形成固溶體時，偶然發(fā)現(xiàn)了這種新材料。他將高溫金—硅合金熔體噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，以每秒一百萬度的冷卻速度快速冷卻熔體，靠前次制備了不透亮的玻璃。當時的一位物理學家看到這種材料時，曾嘲諷地說這是一種“愚蠢的合金”。
　　
　　半個世紀以來，金屬玻璃已經(jīng)從當初“愚蠢的合金”，發(fā)展成為今天航天、航空等高技術(shù)領(lǐng)域和高等手表、手機等時尚品爭相選用的材料。
　　
　　作為兼有玻璃、金屬，固體和液體特性的新型金屬材料，它是材料界很多紀錄的“保持者”——金屬玻璃是迄今為止較強的金屬材料和較軟的金屬材料之一，較強的鈷設(shè)立資金屬玻璃的強度達到創(chuàng)紀錄的6.0GPa，較軟的鍶設(shè)立資金屬玻璃的強度低至300MPa；金屬玻璃是迄今為止發(fā)現(xiàn)的較強的穿甲材料，較容易加工成型的金屬材料，較耐蝕的金屬材料，較理想的微、納米加工材料之一；金屬玻璃還具有遺傳、記憶、軟磁、大磁熵等獨特性能。
　　
　　金屬玻璃不但是性能獨特的新材料，同時也是研究材料科學和凝聚態(tài)物理中一些重要問題的模型體系。近十幾年來，金屬玻璃材料的發(fā)展和應(yīng)用，把玻璃結(jié)構(gòu)、物理性能及相關(guān)的物理問題的研究推向凝聚態(tài)物理和材料科學領(lǐng)域的前沿。
　　
　　B、“愚蠢合金”大放異彩
　　
　　含有金屬元素不同，金屬玻璃也有不同的特性。含有鐵元素的金屬玻璃可以作磁性材料或作催化劑，含有鈷元素的金屬玻璃可以作為磁敏感材料，含有鈦、鋯元素的金屬玻璃具有高彈性和高度度，而含有稀土元素的金屬玻璃則有很多獨特的功能。
　　
　　為什么金屬玻璃會有這么多獨特的性質(zhì)呢？簡單地說，這是由材料的原子排列結(jié)構(gòu)決定的。玻璃內(nèi)部的原子或分子的排列，呈現(xiàn)雜亂無章的高度無序分布狀態(tài)；而鋼鐵等晶態(tài)固體的原子排序則很整齊。打個比方，鋼鐵等晶態(tài)固體的原子排序好比列隊整齊的閱兵式，玻璃的原子排序就像是大街上熙熙攘攘的人群。在我們熟悉的幾種材料中，窗戶玻璃一般是硅與氧等元素合成的，塑料則是高分子玻璃。金屬玻璃是由不同金屬元素原子組成的非晶態(tài)合金，結(jié)構(gòu)上具有玻璃的特性，但因為其金屬元素的加入，就具有了金屬的特性。