物理学前沿讲座论文

金属玻璃

摘要： 文章简要地介绍了金属玻璃的定义、分类、机理、结构及性能间的关系、用途、应用领域和特点，以及目前国内外的研究内容及研究进展。

关键词：金属玻璃

1 定义

将熔融的合金喷射到冷的铜板上，速度在一百万摄氏度每秒以上，由于冷凝速度极高，液态合金来不及形成结晶就凝固了，结果获得了如同玻璃一样的非晶态合金。用X射线衍射法进行测试，发现这种急冷的合金与平常的金属不同，它不是晶体而是玻璃体，故非晶态合金又称为金属玻璃。

2 发展历程

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，玻璃是人类使用最古老、最广泛的材料之一。

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最偶然的发明之一。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最早的人工玻璃。

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极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，第一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档手表、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最强的金属材料和最软的金属材料之一，最强的钴基金属玻璃的强度达到创纪录的6.0GPa，最软的锶基金属玻璃的强度低至300MPa；金属玻璃是迄今为止发现的最强的穿甲材料，最容易加工成型的金属材料，最耐蚀的金属材料，最理想的微、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。

3 结构与性能

金属玻璃拥有无序的原子堆积结构，这和普通金属中的原子晶格结构完全不同。这个可以通过高分辨透射电子显微镜观察到。

图3.1 非晶体金属和普通金属原子结构图

这种无序的原子结构决定了金属玻璃拥有很多晶态金属无法企及的优越性质，比如高强度、高弹性、高硬度、耐腐蚀、耐摩擦等等。那么金属玻璃的强度有多高呢？金属玻璃家族的屈服强度分布于从0.5GPa到6GPa的范围，而已知的铁基或钴基金属玻璃强度一般为3~6GPa。 这个数字是什么概念呢？ 假如拿一个重约1.5吨的小汽车来说，如果用普通钢材支撑它，大概需要7~10根直径2毫米的钢筋，而改用铁基金属玻璃我们只需要1根就够了。

图3.2 金属玻璃的强度对比

那为什么“未来战士”具有自修复功能呢？ 一般来说，物质有三种状态：固态、液态、气态。固态物质形状比较稳定，而液态和气态可以自修复，正所谓“抽刀断水水更流”。 加热可以从固态转化到液态，对于一般晶态金属来说，这个转化过程称为熔化；而玻璃作为固体的一种，加热也可以转化为液态，但是这个过程称为玻璃化转变。对于同一物质的玻璃态和晶态来说（比如硅），其玻璃转变温度大约是熔化温度的0.5~0.6倍（如图3.3 融化曲线图）。因此，和晶态相比，玻璃态更容易转化成液态从而发生自愈合。

图3.3 融化曲线图

除了这两方面性质，金属玻璃还有很多优异的性能，比如优异的软磁性能，抗腐蚀能力，高弹性等等。虽然越来越多的表观性质被大家所认识，但是仍然有很多性质还没有得到开发利用。与这些性能相关的很多基本物理问题依然不清楚。需要继续深入研究。

4 制备

金属玻璃的制备方法可归纳为原子沉积法和液体急玲法两大类。

用原子沉积法制备金属玻璃时的玲却速度，一般要比用液体急冷法的要高，故较易保留那些其自由能比平衡相的自由能要大的相，这种方法包括溅射法、真空蒸发法，辉光放电分解法，化学沉积法等。液体急冷法是将液态金属以大于lO~C／sec的速度急冷，在液体金属中比较紊乱的原子排列保留到固体则可获得金属玻璃；为提高冷却速度，除采用良好的导热体作基板外，还必须使液体与基板接触良好，液体层须相当地薄，液体与基板接触开始至凝固终止的时间尽可能缩短；现有液体急冷法有喷枪法、离心法等。

5 应用领域

金属玻璃是一种优异的磁性材料，具有高饱和磁感应、低铁损等优点，同时还具有较高的耐磨性和耐犒蚀的特点。来制造收录机的磁头，可以避免磁头尖部的脱落现象、降低磁头与磁带摩擦发出的噪声，这将会给人们带来优美、清晰的音质和理想的音响效果。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。

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。

6 国内外的研究内容和研究进展

美国利用金属玻璃出色的弹性进行防弹车身和战舰的研制。日本考虑到这种材料的成本昂贵，目前还没考虑用于普通轿车的计划，但是他们正在研究用于汽车刹车器等压力传感器上。还有金属玻璃在纳米领域内的研究，使得金属玻璃能够像玻璃那样自由变形加工。材料科学家们20年来一直在寻找便宜的大块金属玻璃，直到现在才取得突破性进展。目前他们研究出来的这代金属玻璃以50％的铁，加上钼、钇、锰、碳、硼、铬和钴等化学元素，混合而成。其突破在于：首先是在技术上，合金的玻璃形成能力大为增强。还有诸如性能改善的研究：大块金属玻璃基复合材料制备技术研究进展等。 总结：

可见，金属玻璃较传统的金属和玻璃而言，在某些方面的确有着极大的优势，仅现在已成熟的性质来看，金属玻璃就已经发挥着不可替代的作用。因此我们可以预见，在不远的将来，金属玻璃定将有着更加璀璨的未来。

参考文献：

[1]《金属玻璃》,百度文库教育专区高等教育工学，/view/3f777e868762caaedc33d405.html

[2] JQWangIoP，《何谓“金属玻璃”》, /blog-2022

54-574070.html ,2012

[3] 汪卫华，《光明日报》，《科学家们找出了一种新材料——金属玻璃》，

2012-06-05