敲不碎的“玻璃之王”

杨慧玲

你还记得吗？经典电影《终结者》中的反派——阴魂不散的“T-1000”液态金属机器人是由一种记忆液态金属制成的，他能够毫不费力地从人形变为直升机或者其他任何形状的东西，甚至可以从门缝轻松地流过。那么在现实生活中，是否也存在类似的神奇的材料呢？答案就是“金属玻璃”。目前，科学家们已经研制出了可与电影中“T-1000”性能相媲美的金属玻璃，其强度是工业用钢材料的3倍以上，柔韧性则是工业用钢材料的10倍以上。

——什么是金属玻璃？

金属玻璃是像玻璃一样透明的金属吗？是和金属一样硬的玻璃吗？抑或是金属和玻璃做成的合金？其实，金属玻璃又名“非晶态合金”，它是一类具有热力学非平衡特征和亚稳特性、以金属元素为主要组分（其中，金属元素的百分比为70%以上）并且原子排列处于无序结构的固体材料。一般的玻璃易碎，延展性差，但是金属玻璃却有较好的硬度、强度，且有一定的韧性。所以，人们赞扬金属玻璃为敲不碎的“玻璃之王” 。

——金属玻璃是怎么形成的？

一般的金属材料冷却、凝固后，晶体金属或者合金中的原子在被称为晶格的区域内有序排列，形成晶粒。因此，通过某些方法可以阻止金属熔体在凝固过程中形成晶粒，使得原本应该按照一定规则排列的原子在混乱无序的排列状态中就被固定下来，从而形成原子排列无序、具有独特性质的金属玻璃。这就是制备金属玻璃的原理。

早在20世纪20年代，科学家就已经开始探索人工制备金属玻璃的方法和途径。最早制备出金属玻璃的科学家是德国科学家Krammer，他首次采用气相沉积法制得金属玻璃膜。目前关于制备金属玻璃的方法主要有以下几种：快速冷凝法、单辊淬火法、电镀法。

快速冷凝法即將处于熔融状态的金属迅速冷却，以致金属原子来不及重新排列而形成杂乱无章的组合，由此产生金属玻璃（由于要求迅速冷却，一般只能生产很薄的条状物、导线或粉末）。

单辊淬火法即将熔融金属喷到高速旋转的辊面（机器上旋转的圆柱形部件）上，利用辊的传热作用，使其迅速冷却。这种方法的优点是生产效率高（能以每秒数十米的速度生产），适用于连续生产，工艺也比较容易把握，可以制备较宽的带。例如1960年加州理工学院杜威兹教授等人通过该方法，将高温合金熔体喷射到高速旋转的铜辊上，以每秒约100万度角的超高速度冷却熔体，使得金属熔体中无序的原子来不及重排，从而制得金-硅金属玻璃条带。目前美国生产的世界上最宽的100毫米带也是由单辊淬火法制备的。

电镀法是利用循环镀液电镀槽，向处理干净的金属电极中通入恒定电流，通过控制条件得到金属玻璃镀层，适用于特定物体表面。

·小贴士·

2020年2月27日，科技部高技术研究发展中心发布了2019年度中国科学十大进展，其中中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心“基于材料基因工程研制出高温块体金属玻璃”研究成果入选。此项成果不仅为解决金属玻璃新材料高效探索的难题开辟了新的途径，也为新型高温、高性能合金材料的设计提供了新的思路。

——优良性质和应用

那么，金属玻璃有哪些优良性质，以及被应用在哪些方面呢？

首先，金属玻璃具有极高的强度。当金属玻璃固体系统原子排列无序时，金属玻璃的强度和抗腐蚀能力显著增强。金属玻璃家族的屈服强度分布于0.5 —6 GPa的范围内，而已知的铁基或钴基金属玻璃强度一般为3—6 GPa。这个数字是什么概念呢？拿一辆重约1.5吨的小汽车举例，如果用普通钢材吊起它，大概需要7—10根直径2毫米的钢筋，而改用铁基金属玻璃的话，我们只需要1根就够了，可见金属玻璃强度之高。

其次，金属玻璃还具有堪比塑料的易塑性，有着令人难以想象的韧性和塑性，所以可用来制造高压容器和火箭等的关键部位的零件。

最后，金属玻璃具有极强的抗腐蚀性。由于金属玻璃没有金属那样的晶粒边界，腐蚀剂无空可钻，所以从根本上解决了金属晶界的腐蚀问题。金属玻璃可以经受多种化学溶液的腐蚀，它的抗腐蚀性要比不锈钢强100倍，具有良好的化学稳定性。

除此之外，金属玻璃还有磁导性、耐磨性、高硬度等特性。如果大家对此感兴趣，可以阅读材料专业相关的书籍。

由于金属玻璃的优良性质，其在社会方方面面都有应用。电力运输方面，由于金属玻璃的软磁性高，目前已经在电力转换（如变压器）等领域得到广泛应用。静电复印方面，美国施乐公司利用非晶态铯的光导特性，发展了新的静电复印技术;体育健材方面，锆基大块金属玻璃用于制造高尔夫球具、网球拍、棒球等;军事领域方面，利用钨丝增强的锆/钛基大块金属玻璃制造穿甲弹弹芯材料;防盗标签方面，磁敏感的金属玻璃用于书、光盘的防盗标签;电子设备方面，金属玻璃已在高端手表、手机、笔记本的外壳上得到应用。未来，金属玻璃还将在机械电子、航天、军事、精密零件、耐腐蚀材料、软磁与硬磁材料等领域大显身手。

这就是神奇的金属玻璃，敲不碎的“玻璃之王”。