[科普中国]-金属玻璃

简介

对科学家来讲，玻璃是任何能从液体冷却成固体而无结晶的材料。大多数金属冷却时就结晶，原子排列成有规则的形式称作晶格。如果不发生结晶并且原子依然排列不规则，就形成金属玻璃。不像玻璃板，金属玻璃不透明或者不发脆，它们罕见的原子结构使它们有着特殊的机械特性及磁力特性。普通金属由于它们晶格的缺陷而容易变形或弯曲导致永久性地失形。对比之下，金属玻璃在变形后更容易弹回至它的初始形状。缺乏结晶的缺陷使得原铁水的金属玻璃成为有效的磁性材料。

金属玻璃是 1960 年被发明的新材料，多年以来被各国科学家广泛而深入地研究。与相应的晶态合金相比，这种材料展现出非常独特的力学与物理性能，使之在多个领域都有广阔的应用前景。同时，金属玻璃作为结构无序材料中一类相对简单的代表体系，是研究非晶态物理的一个比较理想的材料模型。解决金属玻璃中的基本科学问题，比如它的结构表征、形变机理、玻璃转变、玻璃形成能力等，不仅可以促进金属玻璃本身的应用，而且也将推动整个凝聚态物理学的发展。

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。

成分结构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，叫做晶格 。但如果结晶不出现，原子便会随机排列，成为金属玻璃 。

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，它拥有独特的机械和磁性特质，不易破碎和不易变形。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的研究员何纳乔，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。

图中所见是何纳乔利用感应熔炉 ，很快的将金属混合物溶化，变为金属玻璃 。

生产工艺在国家科学基金和美国军队研究总局的支助下，Hufnagel已建立了试验新合金的实验室。他试图创建一种在高温下将依然为固体并不结晶的合金金属玻璃，使它能成为发动机零件有用的材料。该材料也可用于穿甲炮弹等军事场合。不象大多数结晶金属炮弹，在冲击后从平的形状变为蘑菇形状，Hufnagel相信；金属玻璃弹头的各边将转向并给出最好穿透力的削尖射弹。

制造厚的、笨重形状的金属玻璃是困难的，因为大多数金属在冷却时会突然出现结晶现象，制造玻璃，金属必会变硬，因为晶格成形时会改变，从纯金属——诸如铜、镍去创建玻璃，它将以每秒钟一万亿摄氏度的速率下冷却。

形变传统的晶体材料，其原子周期性地排列成晶格，而晶格又是有缺陷的，如位错、层错等。这些缺陷运动所需要的能量比较低，使晶体的宏观塑性变形比较容易实现。那么对于没有晶格结构的金属玻璃来说，它的塑性形变机理是怎样的呢？

宏观上来看，金属玻璃的形变特征与温度有密切的关系。在温度靠近玻璃转变点乃至更高时，外力的作用下材料每一部分都参与变形，表现为粘滞性流动，被称为均匀变形。在温度远低于玻璃转变点时，金属玻璃则往往表现为非均匀变形，变形区域只集中在很小的区域，其尺度为10~50 nm，这种变形区域被称为剪切带。由于一般金属玻璃的玻璃转变温度点远高于室温，形变局域化是室温下金属玻璃变形的主要特征，并且得到了广泛的关注。高度局域化的形变只发生在剪切带内，剪切带在形成之后在没有约束的条件下就会快速扩展，最终导致材料的脆性断裂。这便是室温下金属玻璃没有宏观塑性的原因，而解决这个问题是促进金属玻璃应用的关键一环，很多研究人员在这个方向上做出了艰苦的努力。为了增加塑性，有的人采用制备复合材料的方法，有人采用引入残余应力或其他加工方法。2007 年，中国科学院物理研究所柳延辉等在《Science》上报道，开发出在室温具有超大压缩塑性的金属玻璃，并且可以像纯铜、纯铝一样弯曲成一定形状，从而进一步引领出一大批相关的研究工作。但是，金属玻璃室温宏观塑性的问题并没有解决，尤其是大家期望的拉伸塑性并没有得到，学术界期待着新的进展。

从微观上来看，形变涉及到材料的局部原子重排。从这个角度来研究形变的起源，目前有两种比较主流的理论模型，分别是“自由体积”模型和“剪切转变区”模型。自由体积模型最初由 Cohen 及 Turnbull 等提出用来解释玻璃转变的问题，后来被 Spaepen 用来理解玻璃的形变。此模型认为金属玻璃的形变是靠单个原子的跃迁运动实现的，并且，每一个原子在任一位置都占有一定比例的自由体积、拥有自由体积多的地方，原子跃迁运动容易实现；拥有自由体积少的地方，原子跃迁运动则不容易实现。在无外力作用的情况下，原子向各个方向跃迁的几率相等，而在有外力作用的条件下，原子则倾向于向某个方向跃迁，从而造成在应力方向上的形变。但是，由于自由体积本身是一个模糊的概念，而且很难想象单个原子的跃迁就能够顺应外界所给的应力，所以，自由体积模型的基础是很不牢靠的。不过，它提供了非常直观的概念去理解形变，而且非常简单，因此，对玻璃领域的工作者具有非常广泛的影响。剪切转变区模型则是一个更加经典和著名的模型，由Argon 等从肥皂泡阀的类比而发展出来。他们认为，金属玻璃的变形在微观上并不是由单个原子的跃迁而导致，而是由好几个原子构成的原子团簇相对于基体的剪切运动所导致，发生这种剪切运动的原子团簇被称为“剪切转变区”，剪切转变区产生的局部塑性变形积累最终导致宏观尺度的形变。基于上述模型，金属玻璃的很多形变现象可以得到解释，如低温下剪切带的局域化、高温下的均匀流变等等。但是，由于剪切转变模型把局域的剪切转变当成单个事件，也就是说这种处理方法忽略了不同形变基本单元之间的相互作用，也造成有一些实验现象它不能作出解释，如应力应变曲线上的锯齿波现象等。最近的研究工作对这种锯齿波行为进行了详细的分析，发现脆性金属玻璃的剪切带动力学具有混沌行为的特点，而韧性金属玻璃可以演化到自组织临界状态。这些结果说明，非晶合金在变形的过程中，其剪切带运动是比较复杂的，需要考虑多重剪切带之间的相互作用以及协同运动1。