玻璃金属的性质.研究进展和应用

玻璃金属的性质、研究进展及应用

摘要：玻璃金属是指金属在融化状态下急速冷却，由原来的晶体态转变为非晶体态具有金属的高强度性和超塑性。玻璃玻璃金属在文章简要介绍了玻璃金属的性质、研究进展及应用。

关键词：玻璃金属、性质、研究进展、应用

1.引言

金属材料的应用和发展经历了漫长的岁月，在以往的几千年中，人类所使用的金属都是晶态材料。1960年美国Clemen等人采用熔体急冷法制备出第一片只有20 mm厚的Au75Si25非晶合金(通常称为玻璃金属)薄片，预示着没有晶界

的新型金属材料问世，开创了采用熔体急冷法制备非晶态合金的历史[1]。

2.性质

普通的金属凝固时通常为构成原子按一定次序排列的结晶结构，即长程有序；而玻璃金属不是结晶结构，而是原子分散地呈非结晶凝固，即长程无序，短程有序。正是这种非晶结构导致了不同金属不具有的性质。

（1）原子排列长程无序，这导致玻璃金属的X射线衍射不会出现晶态金属那样的衍射线，也不存在亚微观(即微米数量级)的各向异性(如磁畴结构等性质)。

（2）无晶界，晶态金属一般由微米量级的小晶粒组成，晶粒间存在晶界。从亚微观来看玻璃金属是均匀的固体，不存在晶粒和晶界，这一特点大大提高了玻璃金属的力学性能和电磁性能，使它具有很高的强度，例如抗拉强度、硬度、断裂强度和弹性模量等都比晶态合金强得多。玻璃金属为非晶态结构，显微组织均匀，不含晶界、位错等缺陷，使腐蚀金属的液体“无缝可钻”，具有高度抗腐蚀性。

（3）不稳定性，玻璃金属在热力学上是不稳定的，它有向晶态转化的趋势。

[2]

（4）卓越的硬度和机械度，拉丝后纤维化的非晶态铁钽硅硼合金线材，拉伸强度高达400公斤每平方毫米，为钢琴丝的1.4倍，为一般钢丝的10倍。

（5）优越的磁学性能。

（6）短程有序，即金属原子的周围配位情况彼此相似，也和晶态中原子的情况相近。

3.研究进展

玻璃金属的发明和研究已经经历50多年了，半个多世纪以来，玻璃金属不但成为性能独特的新材料，同时也是研究材料科学和凝聚态物理中一些重要问题的模型体系。玻璃金属的研究已经成为凝聚态物理的一个重要分支。

3.1 大块玻璃金属的研究

由于玻璃金属的形成需要大于106 K/s的冷却速率，使得形成的合金呈很薄的条带或细丝状，因而限制了这类材料的应用范围，同时也影响了对其许多性能进行系统、精确的研究。寻求具有很强玻璃形成能力，大块状玻璃金属一直是非晶物理和材料领域科学家们追求的目标，并为此做出了艰苦的努力。

自20世纪60年代以来，非晶合金已经经历了两个发展阶段，由早期的传统非晶合金(薄带、细丝、粉末等)发展为目前的块体玻璃金属合金，已经研究开发出10多个合金系、近100种块体玻璃金属合金。由于这类材料具有高强、高韧、高耐蚀性等许多独特性能，引起了国际上的广泛关注。随着研究的不断深入，某些合金已经显示出极大的应用价值，将对国民经济发展和国防建设产生深远影响。

3.2 玻璃金属非晶体形成机理的研究

人们不仅致力于“大块非晶合金”的开发，在非晶形成机理方面的研究也取得了长足的进步。目前已经发现，非晶形成的临界条件不完全取决于冷却速率，而是取决于过冷液达到亚稳态的程度(可用过冷度△Tx表征)。过冷度的大小体现非晶的形成能力。与合金的组分有关。根据这一观点，只要合理地配制合金，就可以用较低的冷却速率铸造出具有较强形成能力的大块非晶合金[3]。

例如，已经利用吸铸法制备出直径达30 mm的Zr基非晶合金锭和直径达72 mm的Pd—Ni—Cu—P合金锭。

3.3 玻璃金属脆性的研究

玻璃金属是一种高性能材料，同时也具有玻璃材料的共同缺陷——脆。如何克服玻璃材料的脆性一直是材料学家面临的难题。2005年，德国德累斯顿材料研究所与中国科学院物理研究所合作研究，发现了Cu47.5Zr47.5Al5玻璃金属的

大塑性和在塑性变形过程中的“加工硬化”现象。2007年，中国科学院物理研究所的柳延辉等通过对ZrCuNiAl玻璃金属成分的微调整发现了一系列超大塑性玻璃金属。日本Yokoyama等于2009年通过提高Zr基玻璃金属体系中Zr的含量到70％，发现了泊松比高达0.393的偏共晶Zr70Ni16Cu6Al8玻璃金属。该玻璃

金属具有1.3％的拉伸塑性。2010年，德国Pauly等通过对CuZrAl合金成分的调整，使其在变形过程中析出马氏体相，从而发现了单相玻璃金属的拉伸塑性。美国加州理工学院通过在玻璃金属中复合晶体相，研制出了具有拉伸塑性、断裂韧性超过所有金属材料的玻璃金属复合材料。最近又发现Pd基和Zr64Cu26Al10玻璃金属具有远大于一般金属合金的断裂韧性。这些工作改变了人

们普遍认为脆性是玻璃金属本征特性的观点[4]。

4.应用

与传统晶态金属相比，玻璃金属在物理性能(力、热、电、磁)和化学性能等方面都发生了显著的变化，而且所有这些特性都可以进一步挖掘和利用。玻璃金属材料可广泛应用于轻工业、重工业、军工和航空航天工业；在材料表面、特殊部件和结构零件等方面都可得到广泛应用[5]。

4.1日常生活的应用

用非晶态材料可以制成高强度、高耐磨器件，也可以与其它材料一起制成性能优良的复合材料。我们在日常生活中接触的非晶态材料已有很多。例如，在高档录音、录相机中广泛使用的用玻璃金属制备的高耐磨音频视频磁头；采用非晶丝复合强化的高尔夫球杆、钓鱼杆；用块状玻璃金属制造的高尔夫球击球拍头和微型齿轮等。

大块玻璃金属（BMG）可以用来做高尔夫球棍的棍头, 其硬度是Ti 棍头的两倍, 弹性是Ti 的四倍。检验表明它能将99%的冲击力传给高尔夫球, 但是对于Ti 来说, 只能传递70%的冲击力。相同重量的BMG和Ti,BMG有更高的强度, 所以能做成任意形状的高尔夫球棍的棍头。

4.2 磁性材料方面的应用

与传统的磁性金属材料相比，由于玻璃金属中的原子排列无序，没有晶体的各向异性，电阻率及导磁率高，是优良的软磁材料。铁基玻璃金属具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点，现代工业多用它制造配电变压器。与硅钢铁芯相比，玻璃金属铁芯可使空载损耗降低60％一80％，铁损耗仅为硅钢的1/5—1/4，能够延长使用寿命，并且节能效果显著。由此带来的巨大节能效益意味着可以减少新建电厂的数量及其对环境的污染，因此这类玻璃金属被誉为“绿色材料”。玻璃金属铁芯还广泛应用于各种高频功率器件和传感器件，用玻璃金属铁芯变压器制造的高频逆变焊机，大大提高了电源工作频率和效率，焊机的体积成倍减小。如今，电力电子器件正朝着高效、节能、小型化的方向发展，新的科技发展方向对磁性材料也提出了新的要求。于是，一种体积小、重量轻的玻璃金属软磁材料，正在以其低损耗、高导磁的优异特性逐步代替一部分传统的硅钢、坡莫合金和铁氧体材料，成为目前研究最深入、应用领域最多、最引人注目的新型功能材料。

4.3 化工方面的应用

玻璃金属具有优异的化学性能。研究表明，玻璃金属对某些化学反应具有明显的催化作用，可以用作化工催化剂；某些玻璃金属通过化学反应可以吸收和释放出氢，因此可以用作储存材料；由于没有晶粒和晶界，玻璃金属比晶态合金更加耐腐蚀，因此成为化工、海洋等易腐蚀环境中使用的设备的首选材料之一。

4.4国防、航空方面的应用

大块玻璃金属(非晶态合金)由于具有极高的强度、硬度、断裂韧性、良好的抗疲劳性和耐腐蚀性等优异的力学、物理和化学性能，在国防、航空航天等

领域显示出广阔的应用前景，被称为新一代航空航天结构材料。美国军方已计划将大块玻璃金属用于环保型动能穿甲弹、M-1坦克等武器上；美国航天局已将此类材料成功用于“起源号”宇宙飞船，并计划用于火星探测器的钻头。目前，欧美及日本等相继投入巨额经费进行研究。

5.结束语 对于玻璃金属的研究时间并不算太久远，但是它的各样的特殊性质却吸引我们不断的进行探索，在50多年的时间里，随着对于玻璃金属的研究，不仅有实际的应用，也推进了我们对非晶体合金转变机理的更深入的了解，并在降低玻璃金属的脆性，和对块状的玻璃金属的研究上有着卓越的成就。我相信在不久的将来，我们能看见玻璃金属作为优良的材料进入实际生活，并在更加广泛的领域得到应用。而我更希望在各种各样的应用的背后有着强大的理论体系作为支撑，我们应该明白怎么去合理的使用像玻璃金属这些材料，更应该清楚为什么可以这样来用。