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weijiao木蟲 (正式寫手)
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金屬玻璃：比塑料易塑，比不銹鋼還剛 已有13人參與
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經(jīng)過多年攻關(guān)，我國科學(xué)家近年來在金屬玻璃的制備和機理研究上獲得一系列重大進展，并成功制備出用于衛(wèi)星太陽能電池等伸展機構(gòu)的非晶合金材料。大型太陽能電池陣伸展機構(gòu)、空間探測器的盤壓伸桿等零部件是衛(wèi)星關(guān)鍵部件，要求材料有高強度高彈性等特性。由于我國沒有這種高性能材料，這些部件往往要依靠進口。北京航空航天大學(xué)張濤教授的團隊成功制備出用于衛(wèi)星太陽能電池陣伸展機構(gòu)的非晶合金材料，為應(yīng)用創(chuàng)造了可能�？茖W(xué)家還將金屬玻璃粉體用于潤滑等領(lǐng)域，利用其高硬度、高彈性、低摩擦系數(shù)等特性，提高了潤滑油的性能。 3000多年前，一艘歐洲腓尼基人的商船，滿載著晶體礦物“天然蘇打”，航行在地中海沿岸的貝魯斯河上。由于海水落潮，商船擱淺了，于是船員們紛紛登上沙灘。有的船員還抬來大鍋，搬來木柴，并用幾塊“天然蘇打”作為大鍋的支架，在沙灘上做起飯來。他們撤退時發(fā)現(xiàn)鍋下面的沙地上有一些晶瑩明亮、閃閃發(fā)光的東西！這些閃亮的物體就是最早的人工玻璃。 1959年，加利福尼亞理工學(xué)院杜威茲教授等人用制備玻璃的方法，將高溫金—硅合金熔體噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，以每秒一百萬度的冷卻速度快速冷卻熔體，第一次制備得到了不透亮的玻璃。當時的一位物理學(xué)家看到這種合金材料時，曾嘲諷地說這是一種“愚蠢的合金”。這種不透亮的、看起來“愚蠢的”東西，就是在材料科學(xué)領(lǐng)域開辟出一條新道路的金屬玻璃。 金屬玻璃是玻璃嗎？它的用途是什么？它與我們的生產(chǎn)、生活有什么關(guān)系？今天我們對它內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否了解？與其他材料相比，有什么特別之處？是否可以為我們所用？帶著這些問題，記者采訪了中科院物理研究所研究員汪衛(wèi)華。 —— 年輕有為的新材料—— ■高彈性、高強度、強軟磁性 汪衛(wèi)華向記者介紹道，人們?nèi)粘３Ｒ姷牟牧先缢芰�、玻璃、松香、石蠟、瀝青、橡膠等都是非晶態(tài)固體。它們共同的結(jié)構(gòu)特征是內(nèi)部原子或分子的排列呈現(xiàn)雜亂無章的高度無序分布狀態(tài)。如果說鋼鐵等晶態(tài)固體的原子排序好比列隊整齊的閱兵式，那么，玻璃等非晶態(tài)固體的原子排序就像是王府井大街上熙熙攘攘的人群。金屬玻璃是由常用金屬元素組成的，從顏色和外形看與普通金屬材料沒有什么不同，但其力學(xué)、物理、化學(xué)研究機械性能幾方面都發(fā)生了顯著的變化。 材料按性能不同可以分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料利用其力學(xué)性能，制造受力構(gòu)件所用的材料，如鋼筋水泥、沙子石子；功能材料是指具有除力學(xué)性能以外的其他物理性能的特殊材料，如超導(dǎo)材料、能源材料。金屬玻璃無論在結(jié)構(gòu)還是功能上，都有具有較傳統(tǒng)材料更為優(yōu)異的性能。 含有金屬元素不同，金屬玻璃有不同的特性。汪衛(wèi)華說，含有鐵元素的金屬玻璃可以作磁性材料或作催化劑，含有鈷元素的金屬玻璃可以作為磁敏感材料，含有鈦、鋯元素的金屬玻璃具有高彈性和高強度，而含有稀土元素的金屬玻璃具有很多功能特性。 ——它將走進生活—— ■有可能成為航天、軍事、工業(yè)重要基礎(chǔ)材料 航天方面，現(xiàn)在衛(wèi)星收集太陽能維持運轉(zhuǎn)的伸展機構(gòu)大多使用的是高分子有機材料，存在易揮發(fā)和易老化的問題，會給整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)造成障礙，因此，耐腐蝕、抗撞擊、耐冷熱的金屬玻璃有可能在未來成為理想的候選材料。 軍事方面，由于其優(yōu)異的力學(xué)性能，金屬玻璃可用來制造反坦克的動能穿甲彈。金屬玻璃和鎢復(fù)合制成的穿甲彈頭，密度高、強度大、穿甲性能好，具有自銳效應(yīng)，也具有貧鈾彈頭的高絕熱剪切敏感性，有望取代對人類健康和環(huán)境造成嚴重危害的貧鈾彈。 工業(yè)方面，電壓變壓器芯體要求物質(zhì)具有軟磁性，軟磁性越高，在芯體上損失的能量越少。現(xiàn)在變壓器普遍使用的是硅鋼片，而具有較高軟磁性的金屬玻璃可以使變壓器重量減輕1/3，能量耗損減少1/3。同時，金屬玻璃也正在成為電力、電力電子和電子信息領(lǐng)域不可缺少的重要基礎(chǔ)材料。 生活中，高強度的金屬玻璃已被應(yīng)用于網(wǎng)球拍、自行車、潛水裝置等體育裝備上；磁 敏感的金屬玻璃也用于書、光盤的防盜標簽……不久的將來，我們將可以看到金屬玻璃制成的手表表殼、手提電腦外殼，甚至在未來，佩戴金屬玻璃手飾可能成為時尚風(fēng)向標。 如果以上種種可能成為現(xiàn)實，我們的生活將有更多的選擇及便利。新材料夢想離我們有多遠？專家從其制備工藝和研究進展兩個方面對此進行了解答。 ——被困住的腳步—— ■每秒10萬℃以上冷卻速度才能制得金屬玻璃 液體可以用兩種方式固化：一種是不連續(xù)地固化成為晶態(tài)固體；另一種是連續(xù)固化而成為非晶態(tài)固體即玻璃。在通常情況下，液體冷卻到熔點處會結(jié)晶而發(fā)生體積和熱焓的突變。但是如果冷卻速度足夠快，則在熔點以下不會結(jié)晶，而成為過冷液體，并在玻璃轉(zhuǎn)變溫度以下成為非晶態(tài)固體。 專家介紹說，要想獲得金屬玻璃，就要采用制備非晶態(tài)固體材料的通用方法——急速冷卻方法，要求必須冷卻得“足夠低”和“足夠快”。“足夠低”的意思是，必須將溫度冷卻至金屬成為非晶態(tài)固體的程度；“足夠快”的意思是，降溫過程中，液體是處于形成晶核和晶核長大的“危險之中” 的，故應(yīng)極快越過危險溫區(qū)并到達非晶固態(tài)的安全區(qū)，避免結(jié)晶過程發(fā)生而得到玻璃。 達到“足夠低”“足夠快”兩個條件，在實驗中是困難的，在生產(chǎn)中更是難以達到的。例如，鐵基金屬玻璃要求達到每秒10萬℃以上的冷卻速度。另外，利用高速旋轉(zhuǎn)銅模具生產(chǎn)出的帶狀非晶合金材料的收集，材料均勻性的控制等都是生產(chǎn)中的難題。 ■現(xiàn)有手段對金屬玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測能力有限 開發(fā)出一種像塑料一樣的、在很低的溫度下（特別是室溫附近）就表現(xiàn)出粘滯性和優(yōu)良塑性的金屬材料是材料研究人員的夢想。但是現(xiàn)在，我們對金屬玻璃的了解還很不充分，還無法通過調(diào)節(jié)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)來改善其物理性能。對于非晶態(tài)固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在還沒有十分有效的研究手段�，F(xiàn)有的微觀結(jié)構(gòu)分析手段，如X光及中子衍射儀器、電子顯微鏡、各種能譜等，對金屬玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測和分析能力非常有限，只能通過計算機模擬來推測金屬玻璃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 另外，處于高度無序的結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)態(tài)的非晶態(tài)固體為何能穩(wěn)定存在？其優(yōu)越的物理性能與內(nèi)部原子高度無序相關(guān)性有多大？這些問題的解答將給新材料之夢插上飛翔的翅膀。 ■相關(guān)鏈接 玻璃的歷史 說起玻璃，人們便可追溯世界上第一塊人造玻璃，是距今5000年前于伊拉克的美索不達米亞平原制造的，埃及在1500年前建立了第一個玻璃工廠。玻璃于各文明間遍布流傳，希臘人用兩個字來形容玻璃——“流動、融化的石頭”和“透明、澄澈”。 約公元前3700年前， 古埃及人就已經(jīng)將石英與適當?shù)难趸锶蹌┮黄鹑刍圃斐鰝鹘y(tǒng)的硅酸鹽玻璃，并制成玻璃裝飾品和簡單玻璃器皿，當時只有有色玻璃，約公元前1000年前，中國制造出無色玻璃，又稱作琉璃。公元12世紀，出現(xiàn)了商品玻璃，并開始成為工業(yè)材料。18世紀，為適應(yīng)研制望遠鏡的需要，制出光學(xué)玻璃。1873年，比利時首先制出平板玻璃。1906年，美國制出批量生產(chǎn)平板玻璃機器。此后，隨著玻璃生產(chǎn)的工業(yè)化和規(guī)�；�，各種用途和各種性能的玻璃相繼問世。由于玻璃的各種光學(xué)、化學(xué)、物理等優(yōu)異和特殊性能，玻璃不僅應(yīng)用于建筑、交通運輸、包裝和照明等日常生產(chǎn)生活，還是光學(xué)、電子學(xué)、光電子學(xué)等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的重要材料。 材料的演變 說起材料，首先會想到什么？蓋樓房的磚瓦、鋁合金，做實驗的酸堿鹽，還是制造機器設(shè)備的銅線鐵絲？事實上，我們生產(chǎn)生活中的各種材料先后經(jīng)歷了幾次革命性變化，鋼鐵、塑料和金屬玻璃成為了材料發(fā)展的關(guān)鍵詞。 鋼鐵：1855年，英格蘭的貝西墨發(fā)明的酸性轉(zhuǎn)爐鋼方法，使得制鋼成本大幅下降，廣泛用于工廠、汽車、鐵路、橋梁、高樓大廈的建造，奠定了第一次現(xiàn)代材料工業(yè)革命的基礎(chǔ)。 塑料：20 世紀40年代，化學(xué)家發(fā)明了熱塑性塑料，盡管它的強度只有鋼的1/50，但工廠用一個模子就能生產(chǎn)出許多個同樣的部件，易塑性使其獲得了極為廣泛應(yīng)用，成為第二次材料工業(yè)革命的基礎(chǔ)。 金屬玻璃：21世紀之初，金屬玻璃的出現(xiàn)，讓科學(xué)家隱約看到了第三次材料工業(yè)革命的曙光：金屬玻璃的強度是不銹鋼或鈦的兩倍，可塑性堪比塑料，兼具了鋼鐵和塑料的優(yōu)勢。超強金屬玻璃的研制將促進這類新材料在其他民用領(lǐng)域如飛行器的構(gòu)件，生物醫(yī)學(xué)移植物，精密光學(xué)器件甚至體育、娛樂用品上的應(yīng)用，帶來巨大的經(jīng)濟效益。 |
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