金属玻璃—一种硬而坚韧的新材料

吕鹏辉

玻璃是一种脆性的坚硬材料，金属是一种韧性的延展材料，而现在人们拥有了一种“敲不碎、砸不烂”的材料，这就是金属玻璃，金属玻璃不透明或者不发脆，它结合了金属和玻璃的优点而又克服了各自的弊病，比如这种材料可作为电力变压器和高尔夫球棍的理想材料。金属玻璃又称非晶态合金，它具有一定的韧性和刚性，它的强度高于玻璃，硬度超过金属，被人们称赞为“玻璃之王”。

我们知道，玻璃是任何能从液体冷却成固体而不结晶的材料，金属则是从液体会转变成规则结晶的材料，其中原子排列成有规则的形式称作晶格，在这个转变过程中，如果不发生结晶并且原子依然排列不规则，就形成了金属玻璃，普通金属由于它们晶格的缺陷而容易变形或弯曲导致永久性地失形。相比之下，金属玻璃在变形后更容易弹回至它的初始形状，缺乏结晶的缺陷使得原铁水的金属玻璃成立有效磁性材料。它们罕见的原子结构使它们有着特殊的机械特性及磁力特性，该过程中金属玻璃从溶化状态冷却成固体时相变过程相当有趣。

金属玻璃又称非晶合金，由于其不同于晶体的特殊原子排列结构，表现出超高比强、大弹性变形能力、低热膨胀系数等特异性能，受到各国科学家重视，成为当今最活跃的材料学研究领域之一，孕育着继钢铁、塑料之后的第三次材料工业革命。上世纪80年代末以来，美国、日本、欧盟等都加大了对这一领域的支持力度，设立了相关重大研究项目。

金属玻璃的发展历史

早在1950年，冶金学家学会了通过混入一定量的金属——诸如镍和锆一去显出结晶体。当合金的薄层在每秒一百万摄氏度的速率下冷却时，它们形成金属玻璃。但因为要求迅速冷却，它们只能制造成很薄的条状物、导线或粉末。

之后在国家科学基金和美国军队研究总局的支助下建立了试验新合金的实验室，这时人们试图创建一种在高温下将依然为固体并不结晶的合金金属玻璃，使它能成为发动机零件有用的材料。普通玻璃的原子也是随机排列，但它不是金属，而金属玻璃并不透明，它拥有独特的机械(mechanical)和磁性(magnetic)特质，不易破碎和不易变形(deform)。

金属玻璃是较薄和较细的，因为金属冷却时很快便会结晶，所以需要非常快的冷冻。美国约翰斯鹤健士大学研究了如何生产有超级强力、弹力和磁力特质，但是较为大块的金属玻璃。这种新的金属会保持固体而不会在高温下结晶，这将会适于制造引擎零件及军用武器。刚开始时，新金属玻璃样本是把钯、磷、硅和锗元素混合在一起生成的直径大约是1毫米玻璃棒。加利福尼亚大学的研究人员通过增加银元素，进一步把这种玻璃棒的直径扩大到6毫米。

用铁造的金属玻璃是很好的磁性物质，而且由于加热后便变得柔软，容易铸造成不同形状的制成品。美科学家发明超强可塑性金属玻璃比钢铁更牢固，男孩们在踢足球时，不小心把球踢到窗户上，打碎玻璃的事情将会一去不复返，因为美国科学家已经制成比钢铁更难打破的金属玻璃。

其后发展的容损金属玻璃是把五种成分结合在一起制成的，其中包括稀有金属钯。其他金属成分增强了这种新型玻璃的强度，而钯则增加了它的可塑性，防止玻璃碎裂。不过它存在一个重要缺陷——钯金属及其昂贵。目前钯的市场交易价格是每盎司超过500英镑(787.55美元)，与之相比金价才为每盎司830英镑(1307.33美元)。

金属玻璃的研究现状

最近，科学家通过混合四到五种不同大小原子的元素，去形成诸如条状的多种多样的金属玻璃。变化原子大小使它混合而形成玻璃从而变得更韧。这些新合金的用途之一是在商业上用来制造高尔夫球棍的头。

美国能源能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)与加州理工学院的研究人员日前通力合作，研发并测试了一种可抗损的新型金属玻璃，该材料强度和韧性均优于钢铁并超出现有已知材料，并且未来性能可能还会更好。

新型金属玻璃含有一种微形态的钯，这种形态的金属具有高的“体剪切比”其刚性可抵消玻璃材料固有的脆性。材料研发的伯克利科学家说由于含钯材料高的剪切模量比，形成剪切带所需的能量比使这些剪切带裂开的能量更低，因此这种金属玻璃响应外力时具有广泛的塑性，可以弯而不折。玻璃材料属于非晶体，它具有的非晶结构使之自身极其坚硬但也总是很脆，而金属的晶体结构可提供微结构上的障碍（夹杂物、晶界等）来抑制裂纹传播，玻璃的非晶结构却不能阻止裂纹扩展。金属玻璃的问题就很严重，单一剪切带形成并一直能在材料内部扩张，遇上微乎其微的应力就导致灾难性事故。

在早期的工作中，伯克利和加州理工学院合作制备出一种称为“DH3”的金属玻璃，其中裂纹扩张可由引入的金属的第二晶体相阻止。这种晶相呈树突状，可容纳玻璃的非晶结构，能建立起微结构障碍来阻止裂纹扩展。在这个新研究中，合作制备的纯玻璃材料其独特的化学成分产生了作用，通过在裂缝产生前形成多重剪切带来促进广泛塑性。

新型金属玻璃的初始样品是在其中引入直径约一毫米玻璃棒那样的钯、硅和锗的微合金。银的添加使加州理工的研究人员将玻璃杆厚度扩大到六毫米。金属玻璃尺寸大小受液态金属急冷或“淬火”至最后的非晶结构需要所限。经验法则是，为了得到金属玻璃，至少需要五大要素，这样当材料淬火时，就不知道可形成什么样的晶体结构或者非晶缺陷，Ritchie说传统上强度和韧性是材料相互排斥的属性，如此以来这些金属玻璃很有创意，逆向创造推动发展趋势使得损伤可容度这件事对结构金属来说不难。 

目前的金属玻璃由来自美国国家科学基金会资助的加州理工实验室共同作者Demetriou制备，美国能源部（DOE）资助的伯克利实验室的Ritchie团队测试与表征的，劳伦斯伯克利国家实验室是美国能源部（DOE）的国家实验室，它旨在解决世界包括可持续能源、气候变化、人类健康、更深入了解宇宙力量等问题的最紧要科学挑战。

我国金属玻璃的研究态势

经过多年攻关，我国科学家近年来在金属玻璃的制备和机理研究上获得一系列重大进展，并成功制备出用于卫星太阳能电池等伸展机构的非晶合金材料。大型太阳能电池阵伸展机构、空间探测器的盘压伸杆等零部件是卫星关键部件，要求材料有高强度高弹性等特性。由于我国没有这种高性能材料，这些部件往往要依靠进口。我国的科研团队成功制备出用于卫星太阳能电池阵伸展机构的非晶合金材料，为应用创造了可能。

2007年起，在科技部、国家自然科学基金委等部门支持下，来自北京航空航天大学、中科院物理所和金属所、北京科技大学、清华大学等院所的科学家，组成国家“973”计划“高性能轻质非晶态合金若干关键基础问题研究”项目研究团队，向高性能非晶态合金领域发起了科研攻关。该团队近年进一步发现了多种新型非晶态合金体系，而且在金属玻璃形成机理上取得了进展，成功将铝、镁、钛等轻质合金也制备成金属玻璃。

47岁的北京航空航天大学教授、“973”项目首席科学家张涛就是块状非晶合金的开创人之一。上世纪80年代末90年代初，他在日本留学时探索发现了稀土基和锆基等块状非晶态合金，成为块体非晶态合金研究的开端，受到国际材料界的关注。他还将铁、镍、铜等合金制备成了高强度的金属玻璃。和相应的晶态合金比，非晶合金具有高强度、熔点低、流动性好等特点，几乎可以像塑料一样成形，能够实现短流程精密制备复杂形状的零部件。

我国科学家还将金属玻璃粉体用于润滑等领域，利用其高硬度、高弹性、低摩擦系数等特性，提高了润滑油的性能。金属玻璃的研究还刚起步，尚有大量基础和应用问题有待研究。将在加强基础研究的同时在航天航空等领域进行更多的应用研究。

电子版： 硬而坚韧的新型复合材料——金属玻璃.pdf