顯微鏡下的金屬玻璃

這種無(wú)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(wú)法企及的優(yōu)越性質(zhì)，比如高強(qiáng)度、高彈性、高硬度、耐腐蝕、耐摩擦等等。那么金屬玻璃的強(qiáng)度有多高呢？金屬玻璃家族的屈服強(qiáng)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(qiáng)度一般為3~6GPa。 這個(gè)數(shù)字是什么概念呢？ 假如拿一個(gè)重約1.5噸的小汽車(chē)來(lái)說(shuō)，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(dá)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(dāng)厚度降到納米級(jí)別后就變得透明了。是否透明（透射可見(jiàn)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(wú)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(diǎn)，同時(shí)還具有較高的耐磨性和耐犒蝕的特點(diǎn)。來(lái)制造收錄機(jī)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(huì)給人們帶來(lái)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(guò)程中有確定的凝固點(diǎn)，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(dòng)的，沒(méi)有明確的分界線(xiàn)，即沒(méi)有固定凝固點(diǎn)。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(wú)序排列。 大部分的金屬在冷卻時(shí)都會(huì)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(huì)隨機(jī)排列，成為金屬玻璃 。

新型金屬玻璃最主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)是具有很高的強(qiáng)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(méi)有的各種特性。總之，與結(jié)晶金屬相比，金屬玻璃沒(méi)有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，原子在一點(diǎn)點(diǎn)的間隙中有活動(dòng)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(jī)會(huì)，所以其耐腐蝕性更強(qiáng)。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(huì)大大加強(qiáng)。因此金屬玻璃被人們贊為“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”． 

美國(guó)利用金屬玻璃出色的彈性進(jìn)行防彈車(chē)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(méi)考慮用于普通轎車(chē)的計(jì)劃，但是他們正在研究用于汽車(chē)剎車(chē)器等壓力傳感器上。壓力傳感器是通過(guò)金屬的應(yīng)變量來(lái)進(jìn)行工作的?？茖W(xué)家介紹，與原來(lái)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(lái)，一旦燃料電池汽車(chē)普及，它將成為不可或缺的元件。因?yàn)樵谌剂想姵仄?chē)中，為了檢測(cè)氫氣或空氣的壓力，耐用性強(qiáng)、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(guò)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(shí)，因有結(jié)晶的錯(cuò)位等缺陷，如果在顯微鏡下觀察，表面會(huì)呈現(xiàn)凹凸不平的狀態(tài)。為此，從納米尺度來(lái)看，我們是無(wú)法正確復(fù)制這個(gè)產(chǎn)品的。如果我們把金屬玻璃照舊以過(guò)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。現(xiàn)在，金屬玻璃除了與塑料一樣可自由地加工外，強(qiáng)度還高，這無(wú)疑將使它成為代替塑料的材料。科學(xué)家們正在抓緊時(shí)間利用金屬玻璃研制出更小的馬達(dá)。例如小型的相機(jī)或內(nèi)檢鏡，以及微型機(jī)器人等的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)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(dá)驅(qū)動(dòng)，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(diǎn)。如果用金屬玻璃來(lái)制造收錄機(jī)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(huì)給人們帶來(lái)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(lái)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(guó)家庭的變壓器都采用金屬玻璃鐵芯，那么，每年全國(guó)可節(jié)約100億千瓦時(shí)電能，約合50億人民幣。

現(xiàn)在實(shí)際制造出來(lái)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(wàn)種以上的金屬玻璃。由此看來(lái)，用金屬玻璃開(kāi)啟的新金屬文明前景燦爛