1.1.5新型金屬材料

1.金屬玻璃

說起金屬的特點(diǎn)，躍人我們腦海的首先是堅(jiān)硬、不透明，有時(shí)會(huì)生銹，甚至有時(shí)會(huì)斷裂，而談到玻璃，給人的感覺是易破碎、透明。大家也知道金屬是晶體，玻璃是典型的非晶體，它們的原子排列方式如圖1-26所示。金屬玻璃，聽上去就像是一個(gè)不可思議的東西，但是金屬和玻璃這兩種看似完全風(fēng)馬牛不相及的材料，卻被科學(xué)家們神奇地聯(lián)系在了一起。那么，又是什么手段使金屬變成“玻璃”的呢?

1960年美國科學(xué)家皮·杜威等首先發(fā)現(xiàn)金硅合金等液態(tài)貴金屬合金在冷卻速度非常快的情況下，金屬原子來不及按它的常規(guī)方式結(jié)晶，在它還處于17

第1章屬材展與人類文化

不整齊、雜亂無章的狀態(tài)時(shí)就被“凍結(jié)”了，成為非晶態(tài)金屬。這些非晶態(tài)金屬具有類似玻璃的某些結(jié)構(gòu)特征，故稱為金屬玻璃(見圖1-27)。

a) b)

圖1-26金屬與玻璃的原子排列方式

a)金屬晶體b)玻璃非晶體

金屬和玻璃的****差別是:金屬在從液態(tài)冷卻凝固的過程中有確定的凝固點(diǎn)，原子按一定的規(guī)律排列，形成晶體;而玻璃從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變是連續(xù)變動(dòng)的，沒有明確的分界線，即沒有固定的凝固點(diǎn)。

用錘子砸晶體金屬，它將吸收晶粒周圍釋放的能量。但是非晶態(tài)金屬中的原子由于緊緊地

“擠”在一起，在受到敲打時(shí)很易回復(fù)到原狀， 圖1-27 金屬玻璃

而且這種金屬玻璃像液體一樣的結(jié)構(gòu)意味著它們

的熔化溫度很低，能夠像塑料一樣容易被加工成想要的形狀。

那么這種金屬玻璃有何特點(diǎn)呢?科學(xué)家們創(chuàng)造出來的這種匪夷所思的新材料又有何用處呢?

從青銅時(shí)代開始，人類在使用金屬的幾千年漫長的歲月中所見到的金屬幾乎都是晶體，它們均具有排列整齊的原子結(jié)構(gòu)。金屬晶體排列有缺陷的地方在一定的外力作用下常常會(huì)斷裂，也就是我們通常所說的材料失效。其原因是連接兩個(gè)晶粒的能量低于凝聚一個(gè)晶粒的能量，于是兩個(gè)晶粒之間的間隙就形成了一個(gè)脆弱區(qū)，斷裂和腐蝕就很容易從這里發(fā)生。這也正是材料的弱點(diǎn)所在，即一旦受到過大的外力，首先承受不了的就是晶粒結(jié)合部。而金屬玻璃的原子排列是無序的，它沒有特殊的薄弱環(huán)節(jié)，因此金屬玻璃的強(qiáng)度比一般金屬材料高得多，****可達(dá)3500MPa。更難能可貴的是，在其有如此高強(qiáng)度的同時(shí)，這12 金屬材料常識(shí)普及讀本第2版

種材料還保持難以令人想象的韌性和塑性。所以，人們贊揚(yáng)金屬玻璃為“敲不

碎，砸不爛的玻璃之王”。

另外，由于金屬玻璃沒有金屬那樣的晶粒邊界，腐蝕劑無空子可鉆，所以從根本上解決了金屬晶界的腐蝕問題。金屬玻璃的耐蝕性特別好，尤其是在氧化物和硫酸鹽中的耐蝕性大大超過了現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的不銹鋼(它的耐蝕性甚至

超過不銹鋼100多倍)，被人們譽(yù)為“超不銹鋼”。

金屬玻璃還具有很好的超導(dǎo)性和抗核輻射等難得的優(yōu)良性能。單晶硅太陽能電池價(jià)格昂貴，如果將其用非晶硅(即硅金屬玻璃)太陽能電池來代替，其價(jià)格就便宜多了，太陽能電池也就能更好地推廣和普及了。非晶硅太陽能電池薄膜如圖1-28所示。

航空航天技術(shù)中應(yīng)用最多的是復(fù)合材

料。復(fù)合材料是現(xiàn)代科學(xué)研究的熱點(diǎn)。用金 圖1-28非晶硅太陽能電池薄膜

屬玻璃代替硼纖維和碳纖維制造復(fù)合材料，

會(huì)進(jìn)一步提高復(fù)合材料的適應(yīng)性。硼纖維和碳纖維復(fù)合材料的安裝孔附近易產(chǎn)生裂紋，而金屬玻璃在具有很高強(qiáng)度的情況下，仍保持金屬塑性變形的能力因此有利于阻止裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

用金屬玻璃制作的美麗水果盤的造價(jià)卻是一個(gè)天文數(shù)字。制造金屬玻璃的關(guān)鍵是要以極高的冷卻速度，即在0.001s的時(shí)間內(nèi)把熔化的金屬材料冷卻為固體(這樣的冷卻速度等于在1s內(nèi)把溫度突然降低100萬℃)，因?yàn)橹挥羞_(dá)到這樣的冷卻速度，熔化的合金液體才來不及調(diào)整為晶體結(jié)構(gòu)，突然被凝固成毫無秩序的固態(tài)。這個(gè)1x10'℃/s的冷卻速度，目前是現(xiàn)代科學(xué)研究的重點(diǎn)。

2011年，美國耶魯大學(xué)材料科學(xué)家簡·施羅斯帶領(lǐng)的一支研究小組發(fā)現(xiàn)塊狀金屬玻璃能夠隨意排列原子，而不是像普通金屬中的原子那樣是有序的晶體結(jié)構(gòu)，并且該合金材料能夠像塑料一樣隨意地吹塑成普通金屬無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜外形且不失去金屬的硬度和堅(jiān)固度。這個(gè)發(fā)現(xiàn)使得人們對(duì)金屬玻璃的認(rèn)識(shí)又進(jìn)了一步。

2.屬橡膠

金屬橡膠的出現(xiàn)是材料學(xué)上的一次革命，它為人類帶來了新的曙光。有了這種既具備金屬的特性又有橡膠伸縮自如特點(diǎn)的新材料，未來的飛機(jī)就可以擁有像鳥兒一樣能根據(jù)需要改變形狀的翅膀，使得飛行不僅更經(jīng)濟(jì)，而且更有效，更安全。13

第1章金屬材料的發(fā)展程與人類文化

金屬橡膠構(gòu)件既具有金屬的固有特性，又具有類似于橡膠一樣的彈性，是天然橡膠的模擬制品。它在外力的作用下尺寸可以增大2~3倍，外力卸除后便可回復(fù)原狀。這種材料在變形時(shí)仍能夠保持其金屬特征，具有毛細(xì)疏松結(jié)構(gòu)，特別適合在高溫、低溫、大溫差、高壓、高真空、強(qiáng)輻射、劇烈振動(dòng)及強(qiáng)腐蝕等環(huán)境下工作。

金屬橡膠還可以作為減振材料和密封材料。它是以金屬絲為原材料經(jīng)過特殊工藝成形的構(gòu)件，可以像普通橡膠那樣，振動(dòng)時(shí)吸收大量的能量，加入不同的金屬還可以耐腐蝕且不易老化，是傳統(tǒng)橡膠的****替代品。金屬橡膠墊如圖1-29所示。

圖1-29金屬橡膠墊

金屬橡膠技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)，特別是在減振、密封、吸聲降噪等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

金屬橡膠內(nèi)部由金屬絲相互嵌合而成，在受到來自外部的振動(dòng)沖擊時(shí)，金屬絲之間將會(huì)發(fā)生滑移，由此產(chǎn)生的摩擦力可以耗散振動(dòng)或沖擊能量。圖1-30所示的用金屬橡膠制成的履帶既可以翻山涉水，又沒有太大的振動(dòng)。