材料学概论论文

SHANGHAI UNIVERSITY

课程论文

COURSE PAPER

液态金属的研究与分析

——漫谈对“材料科学四面体”的认识

学院材料学院

专业金属材料工程

学号 ********

姓名孔令滔

课程材料学概论

液态金属的研究与分析

——漫谈对“材料科学四面体”的认识

材料学院孔令滔

13120044

摘要本文以材料科学四面体为研究方法，分析与介绍了液态金属的结构、性能、合成与制备以及功能与应用几方面的相关内容，旨在进一步掌握材料科学工程的基本研究方法与探寻四个基本元素之间的联系，为今后对材料的研究方法提供参考。

关键字材料科学四面体液态金属性能

一、综述

材料科学工程（MSE）是研究结构与组成（structure）、性能（properties）、合成，加工与制备（synthesis, preparation and processing）与功能及其应用（function, application and performance）以及他们之间关系的学科。因而把上述四者称为材料科学工程的四个基本要素，把四个要素联结起来便构成了一个四面体——材料科学四面体。

“材料科学四面体”是研究材料的基本方法与思路，本文即采用“材料科学四面体”的研究分析，通过对近些年来饱受关注的液态金属的研究与分析，探寻这种方法对全面了解一种新材料与挖掘材料的用途与发展前景的重要性。

二、液态金属的结构与组成（structure）

材料化学结构与组成对其性能有着重要的影响，同时，结构也是导致材料性能差异的重要因素。每个材料都含有一个以原子和电子尺度到宏观尺度的结构体系，对于大多数材料来说，所有这些结构尺度上化学成分和分布式立体化的，这是制造该种特定材料所采用的

合成加工的结果。因此，只有理解和控制材料的结构，才能得到人们所追求的材料性能。

现在说的液态金属并非液态，而是一种合金，常温下为固体，是由锆52.5%、钛5%、铜17.9%、镍 14.6%、铝 10%几种金属按照上述比例组成的，属于多种金属混合形成的非晶型金属。由于组成成分里面的原子有大有小，所以不会形成结晶，原子也不会自由移动，拥有很强的硬度。

这种金属最初被加州理工学院的科学家取名为“Vitreloy”，而负责营销这种金属的公司是一家叫“Liquidmetal（液态金属）”的技术公司----这种Vitreloy新型合金也就被称为“Liquid metal（液态金属）”。

三、液态金属的性能（properties）

性能是材料功能特性和效用的定量度量和描述。性质作为材料科学与工程四个基本要素之一，是理所当然的，既然材料是人们用于制造有用物品、器件和各种构件和产品的物质，它必然具有其特定的性能。任何状态下的材料，其性能都是经合成或加工后材料结构和成分所产生的结果。弄清性质和结构的关系，可以合成处性质更好的材料，并按所需综合性质设计材料。而且最终将影响到材料的使用性能。

因为是多种金属混合的非晶型合金，液态金属很多时候表现很像玻璃，没有一个固定的熔点（会渐渐软掉），而且受到强力撞击时都一样会碎裂，而不是变形。但是也是因为没有晶体边界，液态金属有高光洁度、高硬度、高弹性、高抗腐蚀性能等额外的附加好处。

1、高表面光洁度

2、高硬度

（从左到右依次为镁、铝、钛、钢、液态金属）

3、高弹性

4、耐腐蚀性

铝、钛、钢、Liquidmetal弹性比较上面的图标都表示了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，将Liquidmetal进行腐蚀盐雾试验超过336小时，它依然符合ASTM

B-117标准。

四、液态金属的加工与制备（synthesis, preparation and

processing）

加工与制备是指建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程。合成常常是指原子和分子组合在一起制造新材料所采用的物理和化学方法。合成是在固体中发现新的化学现象和物理现象的主要源泉，合成还是新技术开发和现有技术改进中的关键性要素。合成的作用包括合成新材料、用新技术合成已知的材料或将已知的材料合成为新的形式、将已知材料按特殊的要求来合成三个方面。而加工除了上述为生产出有用的材料对原子和分子控制外，还包括在较大尺度上的改变，有时也包括材料制造等工程方面的问题。

合成和加工不仅赋予材料一定的尺寸形状，而且是控制材料成分和结构的必要手段。总的来说，材料的合成和加工是获得高质量和低成本产品的关键，把各种材料加工成整体材料、元器件、结构或系统的方法都将关系到工作的成败，材料加工能力对于把新材料变成有用制品都是十分重要的。

液态金属因为是多种金属混合的非晶型合金，所以在不经过特殊工艺处理时很多时候表现很像玻璃，比如同样都没有一个固定的熔点（会渐渐软掉），这样让它熔融后塑形能力非常的突出，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。

“液态”这一名称便是由其加工和制备方法而来的。第一，用这种金属制造零件，可以采用类似塑料注射成型的方式，从而极大地提高零件的精度；第二，就是这种材料表面触摸起来就像液体般顺滑。

五、液态金属功能及其应用（function, application and

performance）

研究一种材料的最终目的还是用于使用，推动工业生产的进步，那么其的功能及其应用就显得由为重要。

而应用性能通常是指材料在最终的使用过程中的行为和表现。是材料的固有性质与产品设计、工程能力和人类需要相融合在一起的一个要素，必须以使用性能为基础进行设计才能得到最佳的方案。因此，往往将材料的合成与加工、材料的性质看作是元器件或设备设计过程中不可少的一部分。由于材料在使用中所处的条件和使用环境是复杂的，因此材料在使用过程中的表现和行为才是对材料最有效地考验，也是衡量材料使用价值的依据。材料在使用环境下的表现和评价有时会对材料科学与工程产生非常大的知识性贡献。如断裂韧性、韧/脆转变温度、辐照脆化等都是材料在使用过程中出现问题后给人们一种知识性反馈和科学总结。只要材料是为某种目的在某种特殊条件下使用，这个要素将永远发展下去。使用效能取决于材料基本性能。因此，建立使用效能与材料基本性能相关联的模型，了解失效模式，发展合理的仿真程序，开展可靠性、耐用性、预测寿命的研究，以最低代价延长使用期，对新材料研制、设计和工艺是至关重要的。

液体金属的成品有非常高的强度，可以耐磨和撞击，甚至还可以恢复到原本固定的形状。同时在外型上也有不错的美观度，可说是兼具了坚固和外观的材质，也就补足了目前常见材质的主要缺点。

然而，早期液态金属的应用纪录并不辉煌——最先最主要的应用是做高尔夫球杆的杆头，利用它弹性好的特性，可以把球击得更远。但是不幸的是，由于工艺的原因使它极易碎，导致许多消费者的杆头出现“爆碎”的现象。后来在Liquidmetal公司投入资金改善合金的组成，并改善生产方式后，才彻底解决液态金属脆弱的欠缺点。后来液态金属被美国