金属玻璃

金属玻璃

金属玻璃又称非晶态合金，它既有金属和玻璃的优点，又克服了它们各自的弊病。如玻璃易碎，没有延展性。金属玻璃的强度却高于钢，硬度超过高硬工具钢，且具有一定的韧性和刚性，所以，人们赞扬金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。

金属和玻璃从宏观特性到微观结构从不“搭界”。那么，又是什么手段使金属变成“玻璃”的呢？这是把高温下熔化了的液体金属，以极快的速度冷却，使金属原子来不及按它的常规编排结晶，还处于不整齐、杂乱无章的状态便被“冻结”了，因此，出现了类似玻璃的奇异特性。

制造金属玻璃的关键是保持极高的冷却速度，要在千分之一秒的时间内，把熔化的金属材料冷却为固体，这样的冷却速度等于在一秒钟内把温度突然降低一百万摄氏度。由于冷却速度太快了，熔化的合金液体来不及调整为晶体结构，突然被凝固成毫无秩序的固态。几乎所有的金属都可通过快速凝固的方式成为金属玻璃，人们最初使用的是一种金硅合金。现在常常用铁作为主要材料，因为它的价格比较便宜，而且电磁性能也比较好。1974年美国首先制成的商品材料“金属玻璃”（Metglas）和1975年日本制成的商品材料“非晶态金属”（Amomet）都是铁基合金。

金属玻璃是70年代刚刚走出实验室成为商品的一种新材料。人类在使用金属几千年漫长的岁月中，所遇到的金属是晶体的金属和合金，它们均具有排列整齐的原子结构。而在它的排列缺陷的地方会被拉断，金属玻璃的原子排序是无序的，它没有特殊的薄弱环节。因此金属玻璃的抗断裂强度比一般金属材料高得多，可达350公斤每平方毫米。更可贵的是，在达到如此高强度的同时，这种材料还保持难以令人想象的韧性和塑性，所以可用来制造高压器和火箭等关键部位的零件。

由于金属玻璃没有金属那样的晶粒边界，腐蚀剂无空子可钻，所以从根本上解决了金属晶界的腐蚀问题，能经受多种化学溶液的腐蚀，有良好的化学稳定性。它的抗腐蚀性要比不锈钢强100倍。金属玻璃还具有很好的超导性和抗核辐射能力等难得的优良性能。人造卫星上的太阳能电池是单晶硅电池，这种电池价格昂贵，如果将硅制成非晶硅 （即硅金属玻璃）其价格就便宜多了，太阳能电池也就能更好地推广和普及。

现在真正能发挥非晶态合金特长的是电磁器件。非晶态铁合金是极好的软磁材料，容易磁化和退磁。与普通结晶磁性材料相比，它具有导磁率高、损耗小、电阻率大等优点。用硅钢和金属玻璃分别制成15千伏变压器的对比试验表明：磁芯损耗分别为322和180瓦，金属玻璃可使损失减少约一半。如果电动机也采用金属玻璃，节能的效果将更显著。易于磁化和高硬度结合的特性，使金属玻璃有效地用于放大器、开关、记忆元件、换能器等器件上。日本TOK公司用非晶态合金制成的录音机磁头，由于磁畸变极小而改善了音质。

金属玻璃是直接从熔融状态制成的，因而避免了费用高、周期长、耗能大的加工过程，它的成本仅为不锈钢制品的五分之一。含铬金层玻璃由于耐腐蚀和点蚀，特别是在氯化物和硫酸盐中的抗腐蚀性大大超过不锈钢，获得了“超不锈钢”的名称，可以用于海洋和医学等方面。例如制造海上军用飞机电缆、鱼雷、化学滤器、反应容器、刮胡刀及手术刀等。

金属玻璃的高强度也引起了工程技术人员的注意，由于目前生产的各种元件尺寸不大，所以要通过编织和铺砌才能制成结构元件。这些用途包括高强度控制电缆、电缆和光缆护套、压力容器、储能飞机、机械传送带、轮胎帘布等。

用金属玻璃代替硼纤维和碳纤维制造复合材料，会进一步提高复合材料的适应性。硼纤维和碳纤复合材料的安装孔附近易产生裂纹，而金属玻璃在具有很高强度（232～372千克每平方毫米）的情况下，仍保持金属塑料变形的能力，因此有利于阻止裂纹的产生和扩展。目前正在研究将金属玻璃纤维用于飞机构架和发动机元件。

金属玻璃已引起世界各国的普遍重视，近年来已获得了长足的进展。但要获得每秒摄氏一百万度的冷却速度却是十分艰难的，而且在这么快的冷却速度下所获得的金属往往是很薄的，因而在应用上受到一定的限制，这些问题尚需要进一步解决。