金属玻璃及其研究新进展
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金属玻璃是玻璃吗？透明吗？ 透明是玻璃的本质吗？
金属玻璃是玻璃态物质，一般是不透明的（块体、普通条带），但是当厚度 降到纳米级别后就变得透明了。是否透明（透射可见光）是由材料的电子结构决 定的，很多晶态的绝缘体（如NaCl,氧化物、聚合物）也都是透明的。所以透明 不是玻璃的本质；原子无序排列是玻璃的本质。
无序结构
.
有序结构
主要制备方法
背景：大多数金属在冷却时会突然出现结晶现象，所以需 要非常快的冷却。——急冷 目前：生产的金属玻璃是比较薄或者比较细的。 难点：制造厚的、笨重形状的块体金属玻璃。 主要存在的问题：在基础研究方面,非晶的结构表征、玻璃 转变以及形变机制是金属玻璃中三大有挑战性的基本科学问 题,至今仍然是未解之谜,它们制约了块体金属玻璃材料研究的 进一步发展。
.
1.甩带法
甩带法是制备金属玻璃条带最常用的方法之一 • 工艺流程
I. 首先将破碎并清洗后的母合金在高真空氩气保护 气氛下感应加热熔化。
II. 利用惰性气体将合金液体喷射到高速旋转的铜辊 上，合金液遇到铜辊将迅速凝固并借助离心力抛 离辊面，得到连续薄带。
.
甩带机
甩带法可以获得105～106K／s的高冷却速率，因此 能大大抑制晶体相析出，从而得到完全金属玻璃材料。
金属玻璃及其研究新进展
Metallic Glass And Its Research Progress
.
金属玻璃（metallic-glasses）
也称为液态金属（liquid metal）或非晶态合金（amorphous alloy），是采用现代快速凝固冶金技术合成的,兼有一般金属和 玻璃优异的力学、物理和化学性能的新型合金材料。
首先是金属玻璃制备 水淬法制备
I.将高纯的镍、钯、磷、硼装入石英管，抽成高真空 后加热融化（用B2O3作助熔剂） II.在熔融的样品达到1000℃后，采用水淬法迅速冷 却降温获得金属玻璃
.
金属玻璃应用研究新进展
首先，将该金属玻璃放 置在一个经典的电化学 测量三电极系统中，金 属玻璃作为工作电极， Hg/HgO电极作为辅助电 极，标准氢电极（SHE） 作为参比电极，用循环 伏安法进行充放电测试。
B2O3包覆水淬法制备的直径 25mmPd40Ni40P20非晶圆柱。
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4.浇铸法
浇铸法一般用于对玻璃形成能力较强的合金体系。
• 工艺流程
I. 首先将母合金在高真空氩气保 护气氛下感应加热熔化。
II. 熔化均匀且具有一定过热度的 情况下直接将合金熔体浇注入 铜模中，冷却后形成柱状样品。
翻转浇铸炉
Βιβλιοθήκη Baidu优点：制备过程简单，冷却速率较快，效率高，还可以浇注一 定形状的样品，可批量生产。 缺点：但易于形成气孔, 且样品的尺寸有限。
注：块体金属玻璃(bulkmetallicglass)通常是指3维尺寸都在毫米以上的金属 玻璃。
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块体金属玻璃材料
我国在这方面处于领先地 位：
典型大块金属玻璃样品： (a)Mg-Cu-Y 金属玻璃； (b)直径超过 70 mm 的 金属玻璃棒；(c)公斤级 别的Zr-Ti-Cu-Ni-Be 金 属玻璃；(d)中国科学院 物理研究所制备的金属 玻璃。
中国科学院物理研究所研制的大块金属玻璃的照片
.
金属玻璃（metallic-glasses）
金属玻璃是金属吗？
大部分金属玻璃体系都是由100%金属组成的合金，比如Cu, Zr, Al, Fe, Co, Ni, Mg,Zn, Ca, Yb, Ce等。但是也有好多体系包含非金属（或类金属）元素，比 如Si，C, P，B等，含量可能达到20 at.%以上。但是金属玻璃都是导电的，电阻 率比普通金属高1~2个数量级，具体和成分以及制备条件相关。
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2.铜模吸铸法
• 工艺流程
I. 将合金放入磁悬浮电炉中, 通电 流加热
II. 待合金完全熔化均匀后将铜模向 下移动
III. 等石英管伸入到熔融合金中时打 开阀门, 利用压力罐和熔融合金 表面之间的压差把熔融合金快速 吸入铜模
IV. 熔体在铜模中快速激冷得到所需 试样.
.
制得样品示意图
优点：电弧熔炼合金无污染、均匀性好, 铜模冷却 速率较快, 制备效率高 缺点：制备的样品尺寸比较小
.
其余制备方法
5. 吹铸法 6. 电磁振动法 7. 放电等离子烧结法 8. 其他
人们也对其应用研 究进行了广泛探讨。
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金属玻璃应用研究新进展
下面是2013年一篇来自Advanced Functional Materials 的文章，其中介绍了利用金属玻璃通过电化学的方法获得 形貌不同的纳米结构。
.
微观结构
在微观结构上,金属玻璃更像是非常黏稠的液体.金属玻璃 因此又被称作“被冻结的熔体”。
金属玻璃拥有无序的原子堆积结构，这和普通金属中的 原子晶格结构完全不同。
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。
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3.水淬法
水淬法工艺简单、设备要求不高、成本低廉，适合大直径柱 状样品的制备，其缺点是其冷却速率较低，一般适用于玻璃 形成能力强的合金体系。
• 工艺流程
I. 将合金原料封装在一个石英管中， 预抽成高真空后充入氩气保护， 用高频感应炉加热。
II. 合金熔化之后，迅速将其连同石 英管浸入水中，实现冷却。
高分辨透射电子显微镜拍摄得到的照片
.
主要物理特性
不象玻璃，一般不透明
机械性能(mechanical)：高强度、高硬度、耐摩擦和高弹
性，不易破碎和不易变形 (deform)
软磁性(magnetic)
耐腐蚀性
广泛应用：
(a) Zr基块体金属玻璃制造的商 业化高尔夫球头;
(b) 用块体金属玻璃制备的手机 的外壳;
(c) 放在手指上的由块体金属玻 璃制备的微小齿轮
.
主要物理特性
金属玻璃的强度有多高呢？
金属玻璃家族的屈服强度分布于从0.5GPa到6GPa的范围，而已知的 铁基或钴基金属玻璃强度一般为3~6GPa。 也就是说， 假如拿一个重约 1.5吨的小汽车来说，如果用普通钢材支撑它，大概需要7~10根直径2毫 米的钢筋，而改用铁基金属玻璃我们只需要1根就够了。
金属玻璃是玻璃态物质，一般是不透明的（块体、普通条带），但是当厚度 降到纳米级别后就变得透明了。是否透明（透射可见光）是由材料的电子结构决 定的，很多晶态的绝缘体（如NaCl,氧化物、聚合物）也都是透明的。所以透明 不是玻璃的本质；原子无序排列是玻璃的本质。
无序结构
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有序结构
主要制备方法
背景：大多数金属在冷却时会突然出现结晶现象，所以需 要非常快的冷却。——急冷 目前：生产的金属玻璃是比较薄或者比较细的。 难点：制造厚的、笨重形状的块体金属玻璃。 主要存在的问题：在基础研究方面,非晶的结构表征、玻璃 转变以及形变机制是金属玻璃中三大有挑战性的基本科学问 题,至今仍然是未解之谜,它们制约了块体金属玻璃材料研究的 进一步发展。
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1.甩带法
甩带法是制备金属玻璃条带最常用的方法之一 • 工艺流程
I. 首先将破碎并清洗后的母合金在高真空氩气保护 气氛下感应加热熔化。
II. 利用惰性气体将合金液体喷射到高速旋转的铜辊 上，合金液遇到铜辊将迅速凝固并借助离心力抛 离辊面，得到连续薄带。
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甩带机
甩带法可以获得105～106K／s的高冷却速率，因此 能大大抑制晶体相析出，从而得到完全金属玻璃材料。
金属玻璃及其研究新进展
Metallic Glass And Its Research Progress
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金属玻璃（metallic-glasses）
也称为液态金属（liquid metal）或非晶态合金（amorphous alloy），是采用现代快速凝固冶金技术合成的,兼有一般金属和 玻璃优异的力学、物理和化学性能的新型合金材料。
首先是金属玻璃制备 水淬法制备
I.将高纯的镍、钯、磷、硼装入石英管，抽成高真空 后加热融化（用B2O3作助熔剂） II.在熔融的样品达到1000℃后，采用水淬法迅速冷 却降温获得金属玻璃
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金属玻璃应用研究新进展
首先，将该金属玻璃放 置在一个经典的电化学 测量三电极系统中，金 属玻璃作为工作电极， Hg/HgO电极作为辅助电 极，标准氢电极（SHE） 作为参比电极，用循环 伏安法进行充放电测试。
B2O3包覆水淬法制备的直径 25mmPd40Ni40P20非晶圆柱。
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4.浇铸法
浇铸法一般用于对玻璃形成能力较强的合金体系。
• 工艺流程
I. 首先将母合金在高真空氩气保 护气氛下感应加热熔化。
II. 熔化均匀且具有一定过热度的 情况下直接将合金熔体浇注入 铜模中，冷却后形成柱状样品。
翻转浇铸炉
Βιβλιοθήκη Baidu优点：制备过程简单，冷却速率较快，效率高，还可以浇注一 定形状的样品，可批量生产。 缺点：但易于形成气孔, 且样品的尺寸有限。
注：块体金属玻璃(bulkmetallicglass)通常是指3维尺寸都在毫米以上的金属 玻璃。
.
块体金属玻璃材料
我国在这方面处于领先地 位：
典型大块金属玻璃样品： (a)Mg-Cu-Y 金属玻璃； (b)直径超过 70 mm 的 金属玻璃棒；(c)公斤级 别的Zr-Ti-Cu-Ni-Be 金 属玻璃；(d)中国科学院 物理研究所制备的金属 玻璃。
中国科学院物理研究所研制的大块金属玻璃的照片
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金属玻璃（metallic-glasses）
金属玻璃是金属吗？
大部分金属玻璃体系都是由100%金属组成的合金，比如Cu, Zr, Al, Fe, Co, Ni, Mg,Zn, Ca, Yb, Ce等。但是也有好多体系包含非金属（或类金属）元素，比 如Si，C, P，B等，含量可能达到20 at.%以上。但是金属玻璃都是导电的，电阻 率比普通金属高1~2个数量级，具体和成分以及制备条件相关。
.
2.铜模吸铸法
• 工艺流程
I. 将合金放入磁悬浮电炉中, 通电 流加热
II. 待合金完全熔化均匀后将铜模向 下移动
III. 等石英管伸入到熔融合金中时打 开阀门, 利用压力罐和熔融合金 表面之间的压差把熔融合金快速 吸入铜模
IV. 熔体在铜模中快速激冷得到所需 试样.
.
制得样品示意图
优点：电弧熔炼合金无污染、均匀性好, 铜模冷却 速率较快, 制备效率高 缺点：制备的样品尺寸比较小
.
其余制备方法
5. 吹铸法 6. 电磁振动法 7. 放电等离子烧结法 8. 其他
人们也对其应用研 究进行了广泛探讨。
.
金属玻璃应用研究新进展
下面是2013年一篇来自Advanced Functional Materials 的文章，其中介绍了利用金属玻璃通过电化学的方法获得 形貌不同的纳米结构。
.
微观结构
在微观结构上,金属玻璃更像是非常黏稠的液体.金属玻璃 因此又被称作“被冻结的熔体”。
金属玻璃拥有无序的原子堆积结构，这和普通金属中的 原子晶格结构完全不同。
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。
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3.水淬法
水淬法工艺简单、设备要求不高、成本低廉，适合大直径柱 状样品的制备，其缺点是其冷却速率较低，一般适用于玻璃 形成能力强的合金体系。
• 工艺流程
I. 将合金原料封装在一个石英管中， 预抽成高真空后充入氩气保护， 用高频感应炉加热。
II. 合金熔化之后，迅速将其连同石 英管浸入水中，实现冷却。
高分辨透射电子显微镜拍摄得到的照片
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主要物理特性
不象玻璃，一般不透明
机械性能(mechanical)：高强度、高硬度、耐摩擦和高弹
性，不易破碎和不易变形 (deform)
软磁性(magnetic)
耐腐蚀性
广泛应用：
(a) Zr基块体金属玻璃制造的商 业化高尔夫球头;
(b) 用块体金属玻璃制备的手机 的外壳;
(c) 放在手指上的由块体金属玻 璃制备的微小齿轮
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主要物理特性
金属玻璃的强度有多高呢？
金属玻璃家族的屈服强度分布于从0.5GPa到6GPa的范围，而已知的 铁基或钴基金属玻璃强度一般为3~6GPa。 也就是说， 假如拿一个重约 1.5吨的小汽车来说，如果用普通钢材支撑它，大概需要7~10根直径2毫 米的钢筋，而改用铁基金属玻璃我们只需要1根就够了。