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【科技日报】金属玻璃:比塑料易塑,比不锈钢还刚
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新闻缘起
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。北京航空航天大学张涛教授的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。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。

3000多年前,一艘欧洲腓尼基人的商船,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,于是船员们纷纷登上沙滩。有的船员还抬来大锅,搬来木柴,并用几块“天然苏打”作为大锅的支架,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。

1959年,加利福尼亚理工学院杜威兹教授等人用制备玻璃的方法,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,第一次制备得到了不透亮的玻璃。当时的一位物理学家看到这种合金材料时,曾嘲讽地说这是一种“愚蠢的合金”。这种不透亮的、看起来“愚蠢的”东西,就是在材料科学领域开辟出一条新道路的金属玻璃。

金属玻璃是玻璃吗?它的用途是什么?它与我们的生产、生活有什么关系?今天我们对它内部结构是否了解?与其他材料相比,有什么特别之处?是否可以为我们所用?带着这些问题,记者采访了中科院物理研究所研究员汪卫华。

——年轻有为的新材料——

■高弹性、高强度、强软磁性

汪卫华向记者介绍道,人们日常常见的材料如塑料、玻璃、松香、石蜡、沥青、橡胶等都是非晶态固体。它们共同的结构特征是内部原子或分子的排列呈现杂乱无章的高度无序分布状态。如果说钢铁等晶态固体的原子排序好比列队整齐的阅兵式,那么,玻璃等非晶态固体的原子排序就像是王府井大街上熙熙攘攘的人群。金属玻璃是由常用金属元素组成的,从颜色和外形看与普通金属材料没有什么不同,但其力学、物理、化学研究机械性能几方面都发生了显著的变化。

材料按性能不同可以分为结构材料和功能材料。结构材料利用其力学性能,制造受力构件所用的材料,如钢筋水泥、沙子石子;功能材料是指具有除力学性能以外的其他物理性能的特殊材料,如超导材料、能源材料。金属玻璃无论在结构还是功能上,都有具有较传统材料更为优异的性能。

含有金属元素不同,金属玻璃有不同的特性。汪卫华说,含有铁元素的金属玻璃可以作磁性材料或作催化剂,含有钴元素的金属玻璃可以作为磁敏感材料,含有钛、锆元素的金属玻璃具有高弹性和高强度,而含有稀土元素的金属玻璃具有很多功能特性。

——它将走进生活——

■有可能成为航天、军事、工业重要基础材料

航天方面,现在卫星收集太阳能维持运转的伸展机构大多使用的是高分子有机材料,存在易挥发和易老化的问题,会给整个系统运转造成障碍,因此,耐腐蚀、抗撞击、耐冷热的金属玻璃有可能在未来成为理想的候选材料。

军事方面,由于其优异的力学性能,金属玻璃可用来制造反坦克的动能穿甲弹。金属玻璃和钨复合制成的穿甲弹头,密度高、强度大、穿甲性能好,具有自锐效应,也具有贫铀弹头的高绝热剪切敏感性,有望取代对人类健康和环境造成严重危害的贫铀弹。

工业方面,电压变压器芯体要求物质具有软磁性,软磁性越高,在芯体上损失的能量越少。现在变压器普遍使用的是硅钢片,而具有较高软磁性的金属玻璃可以使变压器重量减轻1/3,能量耗损减少1/3。同时,金属玻璃也正在成为电力、电力电子和电子信息领域不可缺少的重要基础材料。

生活中,高强度的金属玻璃已被应用于网球拍、自行车、潜水装置等体育装备上;磁

敏感的金属玻璃也用于书、光盘的防盗标签……不久的将来,我们将可以看到金属玻璃制成的手表表壳、手提电脑外壳,甚至在未来,佩戴金属玻璃手饰可能成为时尚风向标。

如果以上种种可能成为现实,我们的生活将有更多的选择及便利。新材料梦想离我们有多远?专家从其制备工艺和研究进展两个方面对此进行了解答。

——被困住的脚步——

■每秒10万℃以上冷却速度才能制得金属玻璃

液体可以用两种方式固化:一种是不连续地固化成为晶态固体;另一种是连续固化而成为非晶态固体即玻璃。在通常情况下,液体冷却到熔点处会结晶而发生体积和热焓的突变。但是如果冷却速度足够快,则在熔点以下不会结晶,而成为过冷液体,并在玻璃转变温度以下成为非晶态固体。

专家介绍说,要想获得金属玻璃,就要采用制备非晶态固体材料的通用方法——急速冷却方法,要求必须冷却得“足够低”和“足够快”。“足够低”的意思是,必须将温度冷却至金属成为非晶态固体的程度;“足够快”的意思是,降温过程中,液体是处于形成晶核和晶核长大的“危险之中”的,故应极快越过危险温区并到达非晶固态的安全区,避免结晶过程发生而得到玻璃。

达到“足够低”“足够快”两个条件,在实验中是困难的,在生产中更是难以达到的。例如,铁基金属玻璃要求达到每秒10万℃以上的冷却速度。另外,利用高速旋转铜模具生产出的带状非晶合金材料的收集,材料均匀性的控制等都是生产中的难题。

■现有手段对金属玻璃内部结构探测能力有限

开发出一种像塑料一样的、在很低的温度下(特别是室温附近)就表现出粘滞性和优良塑性的金属材料是材料研究人员的梦想。但是现在,我们对金属玻璃的了解还很不充分,还无法通过调节其内部结构来改善其物理性能。对于非晶态固体内部结构,现在还没有十分有效的研究手段。现有的微观结构分析手段,如X光及中子衍射仪器、电子显微镜、各种能谱等,对金属玻璃内部结构探测和分析能力非常有限,只能通过计算机模拟来推测金属玻璃的内部结构。

另外,处于高度无序的结构亚稳态的非晶态固体为何能稳定存在?其优越的物理性能与内部原子高度无序相关性有多大?这些问题的解答将给新材料之梦插上飞翔的翅膀。

■相关链接

玻璃的历史

说起玻璃,人们便可追溯世界上第一块人造玻璃,是距今5000年前于伊拉克的美索不达米亚平原制造的,埃及在1500年前建立了第一个玻璃工厂。玻璃于各文明间遍布流传,希腊人用两个字来形容玻璃——“流动、融化的石头”和“透明、澄澈”。

约公元前3700年前, 古埃及人就已经将石英与适当的氧化物熔剂一起熔化制造出传统的硅酸盐玻璃,并制成玻璃装饰品和简单玻璃器皿,当时只有有色玻璃,约公元前1000年前,中国制造出无色玻璃,又称作琉璃。公元12世纪,出现了商品玻璃,并开始成为工业材料。18世纪,为适应研制望远镜的需要,制出光学玻璃。1873年,比利时首先制出平板玻璃。1906年,美国制出批量生产平板玻璃机器。此后,随着玻璃生产的工业化和规模化,各种用途和各种性能的玻璃相继问世。由于玻璃的各种光学、化学、物理等优异和特殊性能,玻璃不仅应用于建筑、交通运输、包装和照明等日常生产生活,还是光学、电子学、光电子学等科学技术领域不可缺少的重要材料。

材料的演变

说起材料,首先会想到什么?盖楼房的砖瓦、铝合金,做实验的酸碱盐,还是制造机器设备的铜线铁丝?事实上,我们生产生活中的各种材料先后经历了几次革命性变化,钢铁、塑料和金属玻璃成为了材料发展的关键词。

钢铁:1855年,英格兰的贝西墨发明的酸性转炉钢方法,使得制钢成本大幅下降,广泛用于工厂、汽车、铁路、桥梁、高楼大厦的建造,奠定了第一次现代材料工业革命的基础。

塑料:20世纪40年代,化学家发明了热塑性塑料,尽管它的强度只有钢的1/50,但工厂用一个模子就能生产出许多个同样的部件,易塑性使其获得了极为广泛应用,成为第二次材料工业革命的基础。

金属玻璃:21世纪之初,金属玻璃的出现,让科学家隐约看到了第三次材料工业革命的曙光:金属玻璃的强度是不锈钢或钛的两倍,可塑性堪比塑料,兼具了钢铁和塑料的优势。超强金属玻璃的研制将促进这类新材料在其他民用领域如飞行器的构件,生物医学移植物,精密光学器件甚至体育、娱乐用品上的应用,带来巨大的经济效益。

(原载于《科技日报》2011年09月14日07版)


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