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iPhone 7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iPhone 7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（Liquid Metal）：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（Liquidmetal Technologies Inc.）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Rancho Santa Margarita, California, along with the Corporate R&D Technology Center.

非晶态金属合金，英文Amorphous Alloy，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（Metallic Glass），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Amorphous Alloy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（Amorphous Alloy）常常又被叫作金属玻璃（Metallic Glass）或玻璃化合金（Glassy Alloy），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（Supercooled liquid）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: 58.5, 铜:15.6, 镍: 12.8, 铝: 10.3, 铌: 2.8）。

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（glass forming ability）。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1.0E5~1.0E6 K/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100 K/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（Bulk Metallic Glass）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