浅谈金属玻璃在生活中的应用



       金属玻璃是一种非晶态合金,所谓非晶态合金是指将熔融合金以大于每秒一百万度的冷却速度进行超急冷凝固,其原子在凝固过程中来不及按周期排列,形成了一种长程无序的非结晶状态,与一般状态下金属材料的原子排列呈周期性和对称性有所区别,金属玻璃中的原子都呈随机排列。近年来金属玻璃在电子科技、军事建设等领域都有广泛的应用。



(1)原子堆积形式


      一种材料的性能取决于其主要结构,金属玻璃内部主要以金属材料为组成框架,原子堆积结构为长程无序的亚稳态金属材料,这里的长程无序不是一般意义上讲的杂乱无章,没有规律可循,而是急速的冷却使材料有序系统的对称性遭到破坏进而形成一种不完整不连续的有序状态,实际其内部存在短程有序。


(2)力学性能及其他性能


       这种结构使金属玻璃具有比金属还高的强度,金属玻璃是一种具有亚稳液态结构的金属,对于一般的长程有序的金属而言,材料的力学性能在很大程度上取决于金属中缺陷的数量和分布,而金属玻璃的结构与稳定性主要取决于组成原子之间的键能和电子状态。从能量层面来看,由于其内部原子排列的无序性结构,金属玻璃中的大部分原子都处于能量受阻碍状态。与其同成分的晶态材料相比,金属玻璃具有更高的吉布斯自由能,导致了金属玻璃具备亚稳态性能。


       除此之外,在具有优越的强度的同时,金属玻璃还具备一定的韧性,满足一定抗冲击和切削加工要求,可用作高耐磨磁触头使用,有望取代耐磨钢成为新型功能材料。金属玻璃一般具有较高的电阻率,可制成金属玻璃电阻器,具有高阻值、体积小、温度系数小、耐高温高压特点,能有效降低电量损耗提高使用效率。磁性方面,由于金属玻璃原子的无序性使其只需要很小的外磁场就能被磁化,因而是优越的磁性材料,其中铁基金属玻璃还有高的磁致伸缩性能,可以考虑作为永磁性材料使用。铁磁金属玻璃就是一种具有良好韧性、耐腐蚀性并且组织均匀极易被磁化的非晶合金。



       制备金属玻璃所选用的原材料一般采用具有较高纯度的元素或中间合金,将其置于有惰性气体(氩气、氦气、氮气等)保护的氛围中,利用电弧熔炼或感应熔炼的方法将一定配比的原材料熔炼成型,形成母合金。


(1)金属玻璃粉末的制备


       ①球磨法


       将母合金或原材料通过高速球磨的方法制备具有微米尺寸的金属玻璃粉末,将金属玻璃粉末材料放在高能球磨机内进行球磨,粉体被磨球介质反复碰撞,承受冲击、剪切、摩擦和压缩多种力的作用,被重复性挤压、变形、断裂及再挤压变形。球磨初期,粉末具有一定的塑性,粉体产生塑性变形,经冷焊合而形成复合粉,经过进一步球磨,粒子变硬,塑性下降,大的复合颗粒很容易产生裂纹,被磨球碰撞破碎,此时粒子焊合与断裂破碎的趋势平衡,粒子尺寸恒定在一个较窄的范围内,粒子表面活性增强,复合粉组织结构细化并发生扩散和固态反应而形成合金粉。一般金属玻璃粉体颗粒的尺寸约为 100nm-50μm。


       ②雾化法


       将母合金放于石英管(用二氧化硅制造的特种工业技术玻璃)中,通过电磁感应加热熔化,利用喷雾器喷嘴的原理,用高压高速喷射气流通过喷嘴将熔体雾化,再经过气体冷却得到金属玻璃粉。


(2)块体金属玻璃的制备


       用电弧将母合金再次熔化,熔化后的流体通过倾斜浇铸或者吸铸到铜模具中从而得到毫米级甚至厘米级尺寸的棒状或板状块体非晶合金的制备过程。


(3)金属玻璃条带的制备


       将母合金放于石英管或石墨管中,通过电磁感应加热将母合金重新熔化后,利用气压将熔体喷射到高速旋转的铜轮表面,表面线速度一般为10-50m/s。这样可以制备厚度约为10-70μm,长度可达数十米甚至数百米的条带金属玻璃样品。



(1)金属玻璃高尔夫球杆杆头


       高尔夫球杆是高尔夫球运动中的基本装备,目前市面上的高尔夫球杆主要为钛合金,相比于钛合金,金属玻璃可以用来做高尔夫球棍的棍头的原因,其硬度是钛合金棍头的两倍,弹性是钛合金的四倍。经检验表明它能将百分之九十的冲击力传给高尔夫球,但是对于钛合金来说,只能传递百分之七十的冲击力,相同重量的金属玻璃有更高的强度,所以能做成多种形状的高尔夫球棍的棍头。


(2)金属玻璃在电子科技领域的应用


       大块金属玻璃具备优良的软磁性能,可作为手机中的脉冲变压器使用。其他少数软磁性金属玻璃已被广泛应用于传感器以及变压器铁芯等领域。另外,利用大块金属玻璃的超强的塑性,可以将其加工为尺寸微小的精密零件,主要应用于微电机系统。这种金属玻璃还可作为电力变压器的理想材料,金属玻璃的电阻率很高,电阻温度系数很低,耐蚀性好,对铜的热电势小,且易于制备,价格低廉,是一种优良的、制造小型化器件用的精密电阻材料。以Cu-Zr系的金属玻璃为例,在从室温到玻璃转变点的温度范围内,该金属玻璃的电阻与温度的关系已有系统的研究。它们的室温电阻率都较高,某几种成份合金的电阻温度系数在较宽的温度范围内都具有很小的数值。但由于技术及成本原因,金属玻璃在该领域还不能得到广泛应用。


(3)金属玻璃在军事中的应用


       国外研究人员正在考虑如何将金属玻璃的超强度和磁性应用于穿甲炮弹等军事武器上,一旦这种炮弹研制成功,其将具备超强的穿透能力并不会像普通弹头一样在和物体冲击后呈现蘑菇状,关键问题在于现在的科技还不能满足制造出大型的金属玻璃块,这就给其研发进程带来难度。



       随着科技的不断进步和工业现代化程度不断提高,金属玻璃的研究取得了飞速的进展,同时,人们对该材料的性能要求也逐步增高,金属玻璃这个材料的新宠儿在社会生活中的地位越来越重要,由于技术成本等因素的影响,目前这一材料还未得到更加广泛的使用,在生活中还未大量普及,只应用于较少的高尖端科技领域,在目前条件下,要求我国相关单位企业加快科研步伐,提高技术水平以便与世界领先技术接轨并应用于生产实际当中。


来源:科技展望 2017年第26期 杨永杰《浅谈金属玻璃在生活中的应用》




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