金属玻璃

金属玻璃材料

专业：材料学

课程：材料科学研究

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金属玻璃材料

摘要：主要介绍了金属玻璃的定义、分类、机理、结构及性能间的关系、用途、应用领域和特点，以及目前国内外的研究内容及研究进展。

关键词：发展简史、金属玻璃、研究进展、用途

Abstract: this paper mainly introduces the definition, classification,mechanism of the metallic glass, the relationship between structure and performance, usage, characteristics and application fields, as well as the research content and research progress at home and abroad.

Keywords: development brief history, metal, glass, research progress and applications

一、发展简史

金属玻璃的出现可以追溯到20世纪30年代，Kramer第一次报道用气相沉积法制备出金属玻璃，在1950年，冶金学家学会了通过混入一定量的金属——诸如镍和锆一去显出结晶体，1960年，美国加州理工学院的Klement和Duwez 等人采用急冷技术制备出Au75Si25金属玻璃。当合金的薄层在每秒一百摄氏度的速率下冷却时，它们形成金属玻璃。但因为要求迅速冷却，它们只能制造成很薄的条状物、导线或粉末。最近，科学家通过混合四到五种不同大小原子的元素，去形成诸如条状的多种多样的金属玻璃。变化原子大小使它混合而形成玻璃从而变得更韧。这些新合金的用途之一是在商业上用来制造高尔夫球棍的头。

二、金属玻璃的定义

将熔融的合金喷射到冷的铜板上，降温速度在一百万摄氏度每秒以上，由于冷凝速度极高，液态合金来不及形成结晶就凝固了，结果获得了如同玻璃一样的非晶态合金。用X射线衍射法进行测试，这种急冷的合金与平常的金属不同，它不是晶体而是玻璃体，故非晶态合金又称为金属玻璃。

三、金属玻璃的机理

金属玻璃是一种特殊的合金材料。通常金属原子都是有序排列的晶体结构，而在金属玻璃中，原子的排列如同液体或者玻璃一样杂乱无章。虽然从严格意义上来说，金属玻璃并不是液体，但是由于它没有固定的外形，可以像液体一样随意流动。金属玻璃的原子都无规律地紧密排列，内在组合没有缝隙，因此它的硬度更大，即使遭到外力重击，原子也很容易回复原位，同时还具有很强的抗腐蚀能力，不变质，重量轻；也正是由于没有晶粒的体积限制，金属玻璃很容易被制成仅10纳米的微型器件。而且，金属玻璃的非晶体结构使得它可以在低温下熔

化，如同塑料般易于塑造成型。阻碍原子结合与重排的势垒△U对于金属玻璃的形成尤其是它的稳定性起着重大的影响。位形熵是考虑金属玻璃形成与稳定性的最适合的参数，而组元原子的势垒△U则是对金属玻璃的形成与稳定性起重要作用，其次是尺寸差效应，第二是过冷度。金属玻璃是具有亚稳液态结构金属，对于一个长程有序的金属，材料的力学性能在很大程度上取决于金属中缺陷的性质、数量和分布；金属玻璃的等离子体密度与晶态差异不大，说明金属玻璃的结构与稳定性主要取决于组成原子之间的键合、电子状态，而不是它们的原子尺寸：在一个没有产生晶化的无序结构中．局部原子可以通过单个原子的位移，重新组合或通过集体结构重排而产生另一种无序结构，不完全相同的无序结构可能表现有不同的性能。金属玻璃在急冷过程中可能引入夹杂，孔洞等缺陷，此外由于自由体积的大小和分布不均匀，产生具有高度动性的活动区，该区范围的大小、位置和动性都没有点阵的限制，在外力和温度等外界条件作用下，它们的状态和分布都可能发生变化，等离子体电荷及其场分布也跟着变化，影响金属玻璃的力学行为。

四、结构与性能

大部分的金属在冷却时都会结晶，把它们的原子排列成有规则的图案，叫做格构 (lattice)。但如果结晶不出现，原子便会随机排列(random arrangement)，成为金属玻璃 (metallic glass)。普通玻璃的原子也是随机排列，但它不是金属。金属玻璃并不透明，它拥有独特的机械 (mechanical)和磁性(magnetic)特质，不易破碎和不易变形 (deform)。它是制造变压器、高尔夫球棒和其他产品的理想物料。目前生产的金属玻璃是较薄和较细的，因为金属冷却时很快便会结晶，所以需要非常快的冷冻。美国约翰斯鹤健士大学(John Hopkins University)的研究员何纳乔(Todd Hufnagel)，正研究如何生产有超级强力、弹力和磁力特质，但是较为大块的金属玻璃。这种新的金属会保持固体而不会在高温下结晶，这将会适于制造引擎零件及军用武器。用铁造的金属玻璃是很好的磁性物质，而且由于加热后便变得柔软，容易铸造成不同形状的制成品。

这些非晶态金属材料内部原子作不规则排列，这样的结构特征使它具有许多晶态材料所没有的性能。主要包括：(1) 原子排列长程无序，这导致金属玻璃的X射线衍射不会出现晶态金属那样的衍射线，也不存在亚微观(即微米数量级)的各向异性(如磁畴结构等性质)。(2) 短程有序，即金属原子的周围配位情况彼此相似，也和晶态中原子的情况相近。(3) 无晶界，晶态金属一般由微米量级的小晶粒组成，晶粒间存在晶界。从亚微观来看金属玻璃是均匀的固体，不存在晶粒和晶界，这一特点大大提高了金属玻璃的力学性能和电磁性能，使它具有很高的

强度，例如抗拉强度、硬度、断裂强度和弹性模量等都比晶态合金强得多。金属玻璃为非晶态结构，显微组织均匀，不含晶界、位错等缺陷，使腐蚀金属的液体“无缝可钻”，具有高度抗腐蚀性。

(4) 不稳定性，金属玻璃在热力学上是不稳定的，它有向晶态转化的趋势。

(5) 卓越的硬度和机械度，拉丝后纤维化的非晶态铁钽硅硼合金线材，拉伸强度高达400公斤每平方毫米，为钢琴丝的1.4倍，为一般钢丝的10倍。

(6) 优越的磁学性能。

五、玻璃的制备

金属玻璃的制备方法可归纳为原子沉积法和液体急玲法两大类。用原子沉积法制备金属玻璃时的玲却速度，一般要比用液体急冷法的要高，故较易保留那些其自由能比平衡相的自由能要大的相，这种方法包括溅射法、真空蒸发法，辉光放电分解法，化学沉积法等。液体急冷法是将液态金属以大于lO~C／sec的速度急冷，在液体金属中比较紊乱的原子排列保留到固体则可获得金属玻璃；为提高冷却速度，除采用良好的导热体作基板外，还必须使液体与基板接触良好，液体层须相当地薄，液体与基板接触开始至凝固终止的时间尽可能缩短；现有液体急冷法有喷枪法、离心法等。

六、应用领域

金属玻璃是一种优异的磁性材料，具有高饱和磁感应、低铁损等优点，同时还具有较高的耐磨性和耐犒蚀的特点。来制造收录机的磁头，可以避免磁头尖部的脱落现象、降低磁头与磁带摩擦发出的噪声，这将会给人们带来优美、清晰的音质和理想的音响效果。90年代初期，皮·杜威的学生威廉·约翰逊在这种方法的基础上，终于研制出一种合金，并创建了液态金属技术公司。这种被命名为Vitreloy的新材料中包含了锆、钛、铜、镍等大金属原子以及较小的铍金属原子。它比钢更具弹性，锻造温度仅在400摄氏度左右，而锻造钢需要达到1000摄氏度的高温，这使得它有可能成为一种理想的制造业用材。该公司利用Vitreloy制造的第一件产品是高尔夫球杆，Vitreloy良好的反弹性可以将球击得更远。目前科学家已经能够用一些贱金属，比如铁或铜来制造金属玻璃。2003年，美国维吉尼亚大学的约瑟夫·普恩和加里·西弗赖特宣布，他们利用碳、铁和少量锰，成功研制出“钢玻璃”，这也是首次研制出没有磁性的钢。对于军事而言，这是一个重大突破，因为用这种钢材料建造的轮船将更易于躲避雷达的探测。此外，产品的尺寸也比过去大。2004年，美国橡树岭国家实验室的研究人员以50％的铁，加上钼、锰、碳、硼、铬和钴等元素，并在混合物中加入1.5％的钇，研制出直径为12毫米的钢管。其超强度、重量轻、弹性好、不变质、不