玻璃合金
发布时间:2022-03-02 16:49:00 点击次数:106 文章作者:
——“玻璃合金”是一种具有不规则构造的合金。《新科学家杂志》2005年4月4日消息,电影《终结者2》中一个名叫villain的液体合金机器人无所不能,可以变形成任何物体。今天,科学家们正努力制造出比电影中更优良的金属材料——“玻璃合金”。2004年,科学家们就制造出比工业上最好的钢还坚硬三倍的玻璃。换句话说,它几乎可以成为终结者的对手。金属原子的正常排列是非常规则的,但是在玻璃合金中原子的排列却很混乱,它也不像液体或玻璃纤维中的原子排列。从严格意义上来说,玻璃合金并不是液体,只是由于它特殊的原子排列和特性,市场中常把它称作液态金属。正是由于其不寻常的原子排列才使得玻璃合金具有如此卓越的性能。在晶体金属合金中,原子都被排列在固定的区域中,而这些区域的间隙就成为这些金属的薄弱环节。玻璃合金并没有这些间隙,所以它的性能十分优越。当用大锤敲击晶体金属时,它将弯曲并吸收一些能量,使金属自身延长。但是非晶体金属中的原子是紧密结合的,很容易反弹外力,而且保持形状不变。这些材料缺少晶体颗粒,所以它们可以被制作成仅10微米宽的产品。而且由于它们的液体特性,在较低温度下会像塑料一样溶化,易于制作成各种模型。所以各大公司都看好这种玻璃合金。但是,直到目前为止,还没有人能制造出实用的玻璃合金。因为当铸造合金逐渐冷却后,其中的原子不可避免地结晶,使得其原子排列十分规则。要制造玻璃合金,必须阻止其结晶过程。这种情况在液体快速冷却时才有可能发生,但是仅仅快速冷却少量的熔融金属是不够的。早在20世纪60年代,美国加州理工学院的Pol Duwez得出了一个结论:将熔融金属喷在一个飞快旋转的铜柱上,可以得到一片非晶态金属,但这片金属仅有几纳米厚。最近,液体金属科研工作者在此方面有所改进。改进者名叫William Johnson。很长的一段时期中,Johnson都不能得到厚度超过一毫米的玻璃合金。他听说日本的Tohoku大学金属材料研究院正在研究此课题。inoue是此课题的主要研究员,他发现在液体金属中加入大型金属原子,例如镧,可以极大地减慢金属结晶的速度。这些巨大的原子扰乱了晶体的形成,使得金属容易变成玻璃原子结构而不需快速地将它们冷却。Inoue说:“所有的金属合金都可以用这种方法形成玻璃状原子结构。不同的只是所加的合金量。当含量配置正确时,合金冷却过程中小的原子就会聚集在大的原子周围。其它小的原子填充这些大原子产生的缝隙,结果就生成无固定形状的原子结构。这种玻璃金属就可以完全替代目前广泛使用的普通金属。20世纪90年代初,Johnson与他的同事终于以这个方法为基础制造出了玻璃合金。他们称它为vitreloy。这种合金含有锆、钛、铜、镍、与铍。vitreloy比钢轻,而且在温度高于400°C时就会溶化。而普通金属的熔点高达1000°C。这就使得此种合金更容易制造。合金强度:第一代vitreloy产品的弹性级差,尽管这种玻璃合金极其坚硬,但是它易碎。它们很容易在外力的作用下出现裂缝。而普通的金属就不会如此。所以此产品没有投放到市场中去。早期的这种产品在少于40次撞击时就会破裂。尽管如此,Johnson最终还是找到了一种方法,此发现源于多次的实验。当科学家通过多次的实验后,就可能得出正确的结论。科学家把制好的合金一块块摔在地上,良好的合金会发出火花,但是它们不会破碎。2004年,Johnson的研究小组制造出了合适的产品,他们发现把铂、铜、镍、与磷混和起来不容易打碎。当此合金受到外力时,出现许多小的裂缝,但是都很细小。这些小的裂缝相互作用,使得每个裂缝都不容易变成大的裂缝。此项发现意义重大。但是这种合金铂的含量高达60%,使得它们很昂贵而不能得到广泛应用。但是它有助于科学家发现更多的替代方案。理想的合金:科研工作者早就发现,金属中的电子可以自由流动。并且把原子粘起来以使得它们具有金属的特性。所以科研工作者想到可以通过增加金属原子的粘合度来减少其易碎性。但是问题是目前没有人能够做到这一点。这只在教科书中能够见到。另一项可以提高的地方是减少玻璃合金的成本,例如加入铁与铜。2003年弗吉尼亚大学的Joseph Poon与Gary Shiflet曾宣布他们制成了第一个包含碳、铁与少量锰的玻璃杯。由于锰不具有磁性,所以此种材料属于无磁性钢。这是一个大的突破,因为利用此类无磁性钢制造的船只可以更容易地躲避雷达的探测。Poon与Shiflet制造出的材料仍然易碎,但是他们正在研究当中。基于铂的玻璃合金已经被广泛应用于卫生器材、解剖刀与专业网球拍中。Inoue用玻璃合金制成一个微型电动机。玻璃合金的硬度极高,可以用做制造航空器与船只船体的材料,美国国防部正在考虑用此种材料制作穿甲弹。玻璃合金甚至可以用来制造手机的零部件。你或许不会从外表上注意到它们的存在,但是在不久的将来,它们就可能应用于日用产品中。(中国科技信息网2005-4-7)