深度解密：液态金属

深度解密：液态金属
液态金属,这个不断从Apple传出绯闻的材料,从iphone4开始,iphone5,iphone6,iwatch,还有未来将要上市的iphone7,每次新品发布前各种各样的爆料和揭秘都有她的身影
传闻iPhone7还将加入一种硬度更高的液化金属,这种液态金属材料可以有效减少机身弯曲状况的发生,困扰苹果很久的“弯曲门”事件将不会在iPhone7上出现;
那今天我们借着这个主题来看看这个屌炸天的‘液态金属’;首先我们调研下,你是否以为液态金属就是有着液体一样形态的金属当然如果你是这个行业的大拿可以直接跳过这一段;
首先我们先说液态金属NOT液态的
很多东西是不能按照字面意思来理解的,就好像玻璃钢,它既不是玻璃也不是钢,但是人家
就是任性的这么取名字了;同理,液态金属并不是成液体状的金属;
Liquidmetal,在常温下是固体的,和金银铜铁之类的普通金属没什么两样;
我们来重新定义一下液态金属LiquidMetal：Liquidmetal由液态与金属两字所复合与
Vitreloy是一系列由加州理工学院研究团队所开发出来的非晶态金属合金的商业名称,目前由
该团队所组织的液态金属科技公司LiquidmetalTechnologiesInc.进行行销,并是公司的产品
名称与商标名称;
液态金属科技有限公司总部坐落在美国加州
RanchoSantaMargarita,California,alongwiththeCorporateR&DTechnologyCenter.
非晶态金属合金,英文AmorphousAlloy,其中Amorphous是指的非晶态的,Alloy则是指的合
金;简单来说就是非晶+合金,这不是废话吗.
..因其与常见晶体材料有明显的结构区别而得名;同时,也被称为金属玻璃MetallicGlass,
因其与常见的玻璃有类似结构;顺便多说一句,该种材料最先由美国加州理工的Duwez教授在
1960年用快淬工艺制备得到,当时得到的是Au-Si非晶合金;
接下来,我们要引入一个重要概念：
Crystallinity结晶性
Cristallinity,其实就是元素中,原子排列的形式,我们可以想象,金属内部如果放大,不会是乱成一锅粥的,这是它的天然属性,就是我们常说的晶体结构;但是,并非所有的物体,都有这个晶体结构,比如玻璃、陶瓷等等Ceramics无机非金属材料或者一部分Polymers有机高分子材料;
所以,往下又会分出三种类型的材料：
1、Crystalline晶体
2、Semi-crystalline半结晶体
3、Amorphous非晶体
这个时候,看到Amorphous,应该知道我们的液态金属AmorphousAlloy属于哪一类了就清楚了吧
晶体和非晶体示意图
晶体是最有序的结构,原子有平移和旋转对称性;
晶体结构示意图
与有序的晶体相对,还有一种材料,它的原子呼吸着自由民主的空气,不喜欢搞这种举国体制的规则队列,于是他们上街的时候就随便挑个地儿占了,这种原子无规则排列的固体叫作非晶体,其中最典型最常见的是玻璃;所以,非晶合金AmorphousAlloy常常又被叫作金属玻璃MetallicGlass或玻璃化合金GlassyAlloy,由于非晶合金最早是通过快速冷却的金属液体制备的,历史上有已被打脸的科学家曾经认为非晶合金是液体,所以在某些古老的文献上还可以看到过冷液体Supercooledliquid这样的讲法;这三个名字稍有区别,但是现在普遍使用的称呼是非晶合金;
非晶体无序结构示意图
题外话,多说一句,还有一种傲娇的有序结构,叫作准晶Quasicrystalline;准晶是有序的,但是只有旋转对称性没有平移对称性,恩看图意会吧,这种美得像画一样的结构简直就是科学和艺术的完美结合,怪不得2011年物理学诺贝尔奖给了准晶研究;
准晶结构示意图的页面
非晶合金是怎么炼成的
非晶合金原材料;非晶合金是锆、钛、铜、镍、铝五种金属的合金,在常温下是固体的,和金银铜铁之类的普通金属没什么两样;因为是多种金属混合的非晶型合金,Liquidmetal很多时候表现很像玻璃,没有一个固定的熔点会渐渐软掉,而且受大力撞击时都一样会碎裂,而不是变形;举个例子,目前以Liquidmetal为商标进行销售的系列锆合金商品有Vitreloy1、Vitreloy4、Vitreloy105、Vitreloy106a,之前传言中,苹果正在研发的材料就类Vitreloy106a,其成份构成为锆:,铜:,镍:,铝:,铌:;
非晶材料成型工艺;非晶合金的形成能力,又叫做玻璃形成能力glassformingability;这
种材料的关键形成条件在金属熔体的冷却过程中让其冷却速率足够大,熔体处于过冷状态,此时金属熔体的剪切粘度会急剧增大,导致传质过程困难,结晶反应被抑制乃至避免,熔体中的原子来不及进行规则排列结晶而形成独特的短程有序,长程无序的原子排布,也就是非晶合金;目前从材料学的角度研究非晶合金,主要就集中在这个方面;
在早期,以Duwez教授的试验为例,要达到~s的冷却速率,才能形成非晶;如此大的冷却速率,即使冷却设备再精密,一般也只有熔体与极冷的容器内壁的接触界面附近可以达到;而由于热量传递的关系,越靠近熔体中心,冷却速率就越小,也就越难以形成非晶态;所以早期的非晶合金样品一般是非晶薄带,即将熔融的合金浇在快速旋转的水冷铜柱表面,以达到急冷的目的;同时,所使用的合金成分一般都含有贵重金属元素,如Au,Ag,Pt等;这些因素一方面限制了非晶合金坯料的尺寸,进而限制其使用范围,另一方面还导致非晶合金的生产成本极高,限制其走向普罗大众;其实Nokia有款手机很早就用上了这种高大上的材料,还是做外壳用,那就是Vertu手机;砸核桃,砸门,砸脑袋,轻松搞定;
随着大量研究的开展,以日本东北大学教授Inoue课题组为代表,提出了众多具备良好玻璃形成能力的非晶合金体系,将临界冷却速率降低到了100K/s,并制造出很多临界直径超过1mm的非晶样品,开启了大块非晶合金BulkMetallicGlass的时代.到1997年,最大临界尺寸的非晶合金样品直径已达到72mm,是Inoue课题组制备的的Pd40Cu30Ni10P20金属玻璃圆棒;
为了达到这种条件,苹果甚至想通过反重力铸造来达到极限的冷却时间;
非晶合金的加工工艺;非晶合金由于在常温下强度很高,不适用于一般的冲压锻造工艺;同时一般用于制造比较微小的零件受非晶合金坯料制备能力的限制以及生产成本考虑,机械加工也比较麻烦;而非晶合金由于存在一个玻璃转变区域,就如同常见的玻璃,加热到一定温度,就会变成粘流态,有超塑性,很容易加工,甚至可以像吹玻璃灯泡一样,吹出中空的金属圆球来;国内外的研究者,很多都在琢磨如何在玻璃转变区域对非晶合金进行塑性加工,也就是用模具进行冲压锻造;
非晶合金的优势
1、熔点较低
2、高屈服强度,即多次弯折形变后还能保持完整
3、高硬度
4、优异的强度重量比,就是能尽量以较小的截面满足强度要求,有助于减小体积
5、超高的弹性极限
6、抗腐蚀
7、高耐磨
8、独特的声学特性
9、超强塑形能力
液体金属合金材料拥有独特的非结晶分子结构,之所以叫液态金属,是因为其有着较低的熔点,而除此之外,它最大的优势还在于熔融后的塑形能力;
非晶材料具有高强度、高比强度、高硬度和高弹性形变等优点由于其凝固过程的物理特性与普通金属完全不同,使它的铸造过程更加类似于塑料而非金属,可以更方便的打造为各种形态的产品;除了铸造的便利性,Liquidmeta液体金属的其他特性还包括：高屈服强度、高硬度、优异的强度重量比、较高的弹性极限、抗腐蚀、高耐磨以及独特的声学特性;
非晶材料具有高光洁外观优点
铝、钛、钢、Liquidmetal弹性比较上面的图都表示了Liquidmetal在光洁度、硬度、弹性都远远高于镁、铝、钛、钢等金属;另外,它抗腐蚀性的能力也非常强;
非晶材料对比铝、钛、钢等材料具有高弹性和低模量等优点非晶的应用
目前非晶合金其实已经悄悄走近甚至走进了普通大众的生活,铁基非晶合金因为具备极好的电磁性能,已经逐步取代硅钢片用作变压器的铁芯了,其性能全面碾压硅钢铁芯变压器,目前全世界从事铁基非晶材料生产的主要是中国安泰科技和日本日立金属公司两家公司;锆基非晶合金方面,不仅苹果手机的卡针已经使用,华为等国产手机里面也有些如卡托之类的小件也开始用非晶合金制造;目前主要是美国的Liquidmetal公司和我国的宜安科技和比亚迪公司,另外在一些军用设备上,非晶合金作为强化涂层,也已驰骋沙场多年了;
现阶段Apple概念的液态金属目前主要应用在消费电子产品领域：
笔记本电脑行业——GatewayID57H：
手机配件——iPhone取卡针：
散热设备——液态金属散热器：
电力能源——液态金属电池：
近期最新科技成果
2014年2月,来自清华大学和北京大学的研究者晟磊、张杰和刘菁近来找到了一种能够控制液态金属合金形态的方法,这种方法通过改变电流来控制被置于水中的液态金属颗粒移动;研究小组表示下一步将尝试控制液态金属组成更多不同的造型;
而在2014年9月23日,美国北卡罗来纳州一个科研团队研发出一种可进行自我修复的变形液态金属,距离打造“终结者”变形机器人的目标更进一步;。