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1、神奇的金属玻璃坚硬似钢铁柔软如流水 神奇的金属玻璃坚硬似钢铁柔软如流水 技术分类： 工程材料 作者：国家纳米科学中心 发表时间：2007-10-24 在电影终结者 2中，邪恶的机器人是由一种液态金属制成的，他能够毫 不费力地从人形变为直升飞机或者其他任何形状的东西， 甚至可以从门缝下轻松 地流过去。而现实生活中，也确实存在类似的神奇材料金属玻璃。科学家已 经研制出可与电影中机器人媲美的金属玻璃， 其强度是目前最好的工业用钢材料 的 3 倍，柔韧性则是钢的 10 倍。 金属玻璃是一种特殊的合金材料。通常金属原子都是有序排列的晶体结构， 而在金属玻璃中，原子的排列如同液体或者玻璃一样杂乱无章。虽然
2、从严格意义 上来说，金属玻璃并不是液体，但是由于它没有固定的外形，可以像液体一样随 意流动，有公司在进行市场推广时仍旧以“液态金属”这个更便于记忆的形象名 称来打响知名度。 正是金属玻璃不寻常的结构及具有金属一样的硬度和韧性、 塑料一样的可塑 性，使得它成为一种有良好应用前景的未来材料。在晶体金属或者合金中，原子 都是在一个个被称为晶粒的区域内整齐排列， 而晶粒之间的结合处就是这种合金 材料最为脆弱的部位。但是金属玻璃的原子都无规律地紧密排列，根本不存在晶 粒边界，内在组合没有缝隙，因此它的硬度更大，即使遭到外力重击，原子也很 容易回复原位，同时还具有很强的抗腐蚀能力，不变质，重量轻；也正是由
3、于没 有晶粒的体积限制，金属玻璃很容易被制成仅 10 纳米的微型器件。而且，金属 玻璃的非晶体结构使得它可以在低温下熔化，如同塑料般易于塑造成型。这就难 怪很多公司对金属玻璃表示出极大兴趣。 但是材料科学家们碰到的最大难题是，当熔化了的金属被冷却时，会不可避 免地出现结晶现象。要制造金属玻璃，阻止结晶形成是关键，也就是说，要在极 短的时间内将之快速冷却。20 世纪 60 年代，美国加州理工学院的皮杜威发 现，将熔化的金属倒入一个快速旋转的铜制圆筒，就能得到冻胶状的金属片，但 是这种金属片的厚度只有几纳米，应用受到限制。 于是，科学家们开始寻找生产块状金属玻璃的方法。日本仙台东北大学金属 材料研
4、究所的井上明久发现，在合金中添加一些大的金属原子，比如镧原子，能 够极大地减缓结晶的速度，这样就能形成比较厚的金属玻璃片。井上明久认为， 所有的金属合金都可以用这种方法制成金属玻璃， 关键在于把握好所添加的大金 属原子的比例。如果比例合适，当熔化的合金冷却时，小的金属原子就会聚集在 大金属原子周围， 簇拥成团， 而原子团之间的空隙也由其他的小金属原子来填充， 结果自然就形成了原子排列杂乱无章的非晶质材料。 但是各国科学家经过长时间 的努力，制得的金属玻璃厚度始终没有超过 1 毫米。 90 年代初期，皮杜威的学生威廉约翰逊在这种方法的基础上，终于研 制出一种合金，并创建了液态金属技术公司。这种被
5、命名为 Vitreloy 的新材料 中包含了锆、 钛、 铜、 镍等大金属原子以及较小的铍金属原子。 它比钢更具弹性， 锻造温度仅在 400 摄氏度左右，而锻造钢需要达到 1000 摄氏度的高温，这使 得它有可能成为一种理想的制造业用材。 该公司利用 Vitreloy 制造的第一件产品是高尔夫球杆，Vitreloy 良好的反 弹性可以将球击得更远。不过问题在于，金属玻璃既有金属的韧性，也有玻璃的 脆性，超过一定的承受力，就会粉碎。早期的 Vitreloy 高尔夫球杆原型通常在 击打 40 次左右就会碎裂， 这也是它一直没能进入市场的原因。 公司经研究发现， Vitreloy 的脆性主要是由于在材
6、料的压力点上形成了一条条断裂线。在晶体中， 这些断裂线在碰到晶粒之后裂痕就停止蔓延，但是在金属玻璃中，没有受到任何 阻挡的裂痕使得物体在瞬间就碎裂。为了解决这一问题，研究人员在 Vitreloy 中加入一些作为介质的晶粒来阻止裂痕的延伸。但这并不是最理想的解决办法。 直到最近， 液态金属技术公司的研究人员终于在金属玻璃的研制工艺上取得 重大突破。在多次比较尝试之后，研究人员发现，利用铂、铜、镍和磷这几种物 质制成的合金， 具有金属的强度和韧性， 却没有玻璃的脆性。 施加一定的外力时， 有细小的裂痕出现，但是不会扩大。不过这种新的金属玻璃材料中铂的含量超过 60%，高昂的成本同样限制了它的广泛应
7、用。 不过，目前科学家已经能够用一些贱金属，比如铁或铜来制造金属玻璃。 2003 年，美国维吉尼亚大学的约瑟夫普恩和加里西弗赖特宣布，他们利用 碳、铁和少量锰，成功研制出“钢玻璃” ，这也是首次研制出没有磁性的钢。对 于军事而言，这是一个重大突破，因为用这种钢材料建造的轮船将更易于躲避雷 达的探测。 此外，产品的尺寸也比过去大。2004 年，美国橡树岭国家实验室的研究人 员以 50的铁，加上钼、锰、碳、硼、铬和钴等元素，并在混合物中加入 1.5 的钇，研制出直径为 12 毫米的钢管。其超强度、重量轻、弹性好、不变质、 不易断裂的特性，开拓了金属玻璃空前的应用前景。 液态金属技术公司也正在利用其开发的铂金属玻璃制造解剖刀等医疗器械 以及专业网球拍等。该公司还与韩国三星公司签署协议，为其提供手机零部件的 原材料。除了作为飞行器零部件和轮船船体材料外，美国国防部还考虑用无毒的 金属玻璃取代资源日益贫乏的铀来制作穿甲弹头等军事装备。
