新材料金属玻璃——玻璃与金属的无缺合体

【中玻网】新材料金属玻璃——玻璃与金属的无缺合体

    A、玻璃与金属的无缺合体
　　
　　金属玻璃，顾名思义，就是一种既有金属特性，也有玻璃特性的新材料。上世纪50年代，这种材料被偶然发现，但却被美国物理学家称为“愚蠢的合金”。今天，金属玻璃因其特性——强度是不锈钢或钛的两倍，易塑性堪比塑料——正在受到越来越多的关注。
　　
　　要想了解金属玻璃，首先还是从玻璃讲起。
　　
　　我们生活在充斥着玻璃的世界，很多人都以为玻璃的广泛应用是工业革命的产物，但事实上，玻璃是人类使用较古老、较广泛的材料之一。
　　
　　我们的远古祖先——原始人，很早就在利用天然玻璃黑曜石的断口，也就是我们常说的“玻璃碴”来宰杀动物、裁制兽皮衣服。玻璃材料对人类文明史产生了不容忽视的影响。正如陶瓷材料贯穿中华文明和文化一样，自被发现以来，玻璃材料贯穿古希腊文明、罗马文明、文艺复兴、欧洲启蒙运动、工业革命等历史时期，直至当代。例如，因为平板玻璃材料的出现，才有了玻璃窗户，才让寒冷的北欧适于居住和文明化；有了玻璃，我们的前辈才能研究星体的运动，太阳系的构造，以及微生物的奥秘。不少学者认为，玻璃在东西方文化和文明的差异、分歧中扮演了致关重要的角色。
　　
　　玻璃材料是人类历史上较偶然的发明之一。3000多年前，一艘腓尼基人的商船，满载着晶体矿物“天然苏打”，航行在地中海沿岸的贝鲁斯河上。由于海水落潮，商船搁浅了，于是船员们登上沙滩，把几块“天然苏打”支起作为大锅，在沙滩上做起饭来。他们撤退时发现锅下面的沙地上有一些晶莹明亮、闪闪发光的东西！这些闪亮的物体就是较早的人工玻璃。
　　
　　金属玻璃的发现也非常偶然。1959年，美国加州理工大学的Duwez在研究晶体结构和化合价较其不同的两个元素能否形成固溶体时，偶然发现了这种新材料。他将高温金—硅合金熔体喷射到高速旋转的铜辊上，以每秒一百万度的冷却速度快速冷却熔体，靠前次制备了不透亮的玻璃。当时的一位物理学家看到这种材料时，曾嘲讽地说这是一种“愚蠢的合金”。
　　
　　半个世纪以来，金属玻璃已经从当初“愚蠢的合金”，发展成为今天航天、航空等高技术领域和高等手表、手机等时尚品争相选用的材料。
　　
　　作为兼有玻璃、金属，固体和液体特性的新型金属材料，它是材料界很多纪录的“保持者”——金属玻璃是迄今为止较强的金属材料和较软的金属材料之一，较强的钴设立资金属玻璃的强度达到创纪录的6.0GPa，较软的锶设立资金属玻璃的强度低至300MPa；金属玻璃是迄今为止发现的较强的穿甲材料，较容易加工成型的金属材料，较耐蚀的金属材料，较理想的微、纳米加工材料之一；金属玻璃还具有遗传、记忆、软磁、大磁熵等独特性能。
　　
　　金属玻璃不但是性能独特的新材料，同时也是研究材料科学和凝聚态物理中一些重要问题的模型体系。近十几年来，金属玻璃材料的发展和应用，把玻璃结构、物理性能及相关的物理问题的研究推向凝聚态物理和材料科学领域的前沿。
　　
　　B、“愚蠢合金”大放异彩
　　
　　含有金属元素不同，金属玻璃也有不同的特性。含有铁元素的金属玻璃可以作磁性材料或作催化剂，含有钴元素的金属玻璃可以作为磁敏感材料，含有钛、锆元素的金属玻璃具有高弹性和高度度，而含有稀土元素的金属玻璃则有很多独特的功能。
　　
　　为什么金属玻璃会有这么多独特的性质呢？简单地说，这是由材料的原子排列结构决定的。玻璃内部的原子或分子的排列，呈现杂乱无章的高度无序分布状态；而钢铁等晶态固体的原子排序则很整齐。打个比方，钢铁等晶态固体的原子排序好比列队整齐的阅兵式，玻璃的原子排序就像是大街上熙熙攘攘的人群。在我们熟悉的几种材料中，窗户玻璃一般是硅与氧等元素合成的，塑料则是高分子玻璃。金属玻璃是由不同金属元素原子组成的非晶态合金，结构上具有玻璃的特性，但因为其金属元素的加入，就具有了金属的特性。