顯微鏡下的金屬玻璃

這種無序的原子結(jié)構(gòu)決定了金屬玻璃擁有很多晶態(tài)金屬無法企及的優(yōu)越性質(zhì)，比如高強度、高彈性、高硬度、耐腐蝕、耐摩擦等等。那么金屬玻璃的強度有多高呢？金屬玻璃家族的屈服強度分布于從0.5GPa到6GPa的范圍，而已知的鐵基或鈷基金屬玻璃強度一般為3~6GPa。 這個數(shù)字是什么概念呢？ 假如拿一個重約1.5噸的小汽車來說，如果用普通鋼材支撐它，大概需要7~10根直徑2毫米的鋼筋，而改用鐵基金屬玻璃我們只需要1根就夠了。

大部分金屬玻璃體系都是由100%金屬組成的合金，比如Cu， Zr， Al， Fe， Co， Ni， Mg，Zn， Ca， Yb， Ce等。但是也有好多體系包含非金屬元素，比如Si，C， P，B等，含量可能達到20 at.%以上。但是金屬玻璃都是導(dǎo)電的，電阻率比普通金屬高1~2個數(shù)量級，具體和成分和制備條件相關(guān)。

 

一般金屬玻璃是不透明的（塊體、普通條帶），但是當厚度降到納米級別后就變得透明了。是否透明（透射可見光）是由材料的電子結(jié)構(gòu)決定的，很多晶態(tài)的絕緣體（如NaCl，氧化物、聚合物）也都是透明的。所以透明不是玻璃的本質(zhì)；原子無序排列是玻璃的本質(zhì)。

 

金屬玻璃是一種優(yōu)異的磁性材料，具有高飽和磁感應(yīng)、低鐵損等優(yōu)點，同時還具有較高的耐磨性和耐犒蝕的特點。來制造收錄機的磁頭，可以避免磁頭尖部的脫落現(xiàn)象、降低磁頭與磁帶摩擦發(fā)出的噪聲，這將會給人們帶來優(yōu)美、清晰的音質(zhì)和理想的音響效果。

要了解“金屬玻璃”，首先得了解什么是金屬，什么是玻璃以及兩者的差別。金屬在從液態(tài)冷卻凝固的過程中有確定的凝固點，原子按一定的規(guī)律排列，形成晶體；而玻璃從液態(tài)到固態(tài)是連續(xù)變動的，沒有明確的分界線，即沒有固定凝固點。因此，金屬是一種典型的晶體材料，它的許多特性是由其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)決定的；而玻璃卻是一種非晶體材料，固態(tài)玻璃和液態(tài)玻璃內(nèi)部原子呈無序排列。 大部分的金屬在冷卻時都會結(jié)晶，把它們的原子排列成有規(guī)則的圖案，叫做格構(gòu)。但如果結(jié)晶不出現(xiàn)，原子便會隨機排列，成為金屬玻璃 。

新型金屬玻璃最主要特點和優(yōu)勢是具有很高的強度、硬度、彈性、剛性，它可以經(jīng)受180°彎曲而不斷裂，是鋼的5倍。具有迄今為止金屬所沒有的各種特性。總之，與結(jié)晶金屬相比，金屬玻璃沒有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，原子在一點點的間隙中有活動余地，因此它比普通金屬的彎曲性、復(fù)原性更好?？茖W(xué)家還發(fā)現(xiàn)金屬玻璃比結(jié)晶金屬的彈性極限提高了3倍。另外，在耐腐蝕性上，由于結(jié)晶金屬存在“缺陷”，容易給腐蝕的發(fā)生提供縫隙，而金屬玻璃的表面整齊致密，不給腐蝕提供任何機會，所以其耐腐蝕性更強。如果再使用一種以上的耐腐金屬作為金屬玻璃的成分，那么這種金屬玻璃的耐腐蝕性就會大大加強。因此金屬玻璃被人們贊為“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”． 

美國利用金屬玻璃出色的彈性進行防彈車身和戰(zhàn)艦的研制。日本考慮到這種材料的成本昂貴，目前還沒考慮用于普通轎車的計劃，但是他們正在研究用于汽車剎車器等壓力傳感器上。壓力傳感器是通過金屬的應(yīng)變量來進行工作的?？茖W(xué)家介紹，與原來使用的材料相比，使用金屬玻璃可以將靈敏度提高3.8倍。將來，一旦燃料電池汽車普及，它將成為不可或缺的元件。因為在燃料電池汽車中，為了檢測氫氣或空氣的壓力，耐用性強、靈敏度高的壓力傳感器將必不可少。

 

金屬玻璃還將在納米領(lǐng)域內(nèi)大顯威力。金屬玻璃能夠像玻璃那樣自由變形加工。過去人們把熔融的結(jié)晶金屬澆鑄到模子里，也能制造出與模子形狀一樣的產(chǎn)品。但是結(jié)晶金屬在冷卻凝聚成結(jié)晶時，因有結(jié)晶的錯位等缺陷，如果在顯微鏡下觀察，表面會呈現(xiàn)凹凸不平的狀態(tài)。為此，從納米尺度來看，我們是無法正確復(fù)制這個產(chǎn)品的。如果我們把金屬玻璃照舊以過冷卻液體澆鑄到模子里凝固。就能夠精確地復(fù)制產(chǎn)品。

迄今為止能夠自由加工的是塑料等高分子材料?，F(xiàn)在，金屬玻璃除了與塑料一樣可自由地加工外，強度還高，這無疑將使它成為代替塑料的材料?？茖W(xué)家們正在抓緊時間利用金屬玻璃研制出更小的馬達。例如小型的相機或內(nèi)檢鏡，以及微型機器人等的驅(qū)動馬達等。其中有一種“血管疏通器”，是安裝在導(dǎo)管前的旋翼葉片，就是用金屬玻璃制造的微型馬達驅(qū)動，它可以除掉堵塞血管的血栓等。

金屬玻璃還是一種優(yōu)異的磁性材料，具有高飽和磁感應(yīng)、低鐵損等優(yōu)點。如果用金屬玻璃來制造收錄機的磁頭，可以避免磁頭尖部的脫落現(xiàn)象，降低磁頭與磁帶摩擦發(fā)出的噪聲，這將會給人們帶來優(yōu)美清晰的音質(zhì)和理想的音響效果。另外，如果用金屬玻璃來代替變壓器中的硅鋼片，可使變壓器的空載損耗減少三分之二。照此推算，如果全中國家庭的變壓器都采用金屬玻璃鐵芯，那么，每年全國可節(jié)約100億千瓦時電能，約合50億人民幣。

現(xiàn)在實際制造出來的金屬玻璃有1000種左右。但是如果合理組合各種金屬元素，理論上可能有1萬種以上的金屬玻璃。由此看來，用金屬玻璃開啟的新金屬文明前景燦爛