什么！这些金属材料竟然也有“玻璃心”？

以是对付人来说，要少一些玻璃心，变得倔强和坚韧。
但是如果换一种思路，我们周围常用的金属强度高，硬度高，韧性高，它们是很多构件的“主心骨”，是生活中最常见的物质之一。
如果连非常强的金属们都变得“玻璃心”了，生活会变得若何呢？

在思考这个话题前，首先要弄清楚一个问题，金属怎么变得玻璃心？

宏不雅观的固体材料是由大量的微不雅观粒子（原子、分子或者离子）凝聚在一起形成的，我们就按照固体材料中微不雅观粒子的排列办法将材料分成两大类：粒子排列十分规则的晶态物质和粒子排列不具有长程有序性的非晶物质（也便是常说的玻璃态物质）。
我们日常见到的材料如塑料、玻璃、沥青、琥珀、橡胶等都是玻璃态固体，也便是说这些材料的粒子排布没有周期性。

晶体、玻璃态、气态物质的原子排布示意图 图源：[1][2]

随着当代冶金技能的发展，也便是热合金熔体快速冷却技能的不断成熟，这项技能可以在室温下保留合金的非平衡态构造，让金属熔体中无序排布的原子来不及扩散运动到平衡态位置，终极得到的固体原子构型也呈现出无序排布的特点。
这种超高冷却速率得到的合金便是具有玻璃一样原子无序排布的非晶合金，也成为金属玻璃。

金属玻璃和晶态金属的高分辨透射电子显微镜照片比拟。

这种方法得到的金属玻璃在外不雅观上具有金属一样的光泽，看不出和常规的金属有明显的差异，那么这一类具有“玻璃心”的金属材料在现实生活中有哪些优胜的性能？

利用快速连忙冷却技能得到的大块非晶合金的照片。
图源：[3][4]

01

会变得更强更优

传统的晶体金属的变形是依赖里面周期性排列的原子中产生毛病来实现的，而金属玻璃由于没有晶体中的变形毛病，因而具有很高的强度和硬度。
以是高强度是金属玻璃最显著和独特的力学特色之一。

各种合金身分玻璃化之后硬度都显著高于其晶态合金，并且钴基块体金属玻璃的强度创造了现今金属材料强度的最高记录，它的强度是普通钢材的十五倍。
那生活中常用的钢铁来说，铁基金属玻璃的断裂强度是一样平常构造钢的数倍，是一种高强金属材料。

直径为1毫米的圆柱状铁基金属玻璃，以及压缩实验后的描述。
图源：[5]

由于金属玻璃具有传统不锈钢所无法达到的强度和耐磨性，以及液体一样的加工精度，一些锆基和钛基等身分的非晶合金已经用在了在手术刀片上，可以达到陶瓷级别的锋利。

左边为镀有锆基非晶合金的钢制手术刀片，右边为一片整体的锆基金属玻璃手术刀片。
图源：[6]

当外界的载荷速率很高时，金属玻璃的动态韧性急剧升高。
在这种情形下，一些特定身分的金属玻璃具有高强、高韧和侵彻穿深性能，从而来制造反坦克的动能穿甲弹的穿甲弹。
也便是说，金属玻璃弹芯的穿甲弹非晶合金在高速撞击时，金属玻璃的高韧性和侵彻穿深性能使得其穿甲性更好，是第三代穿甲和破甲反坦克导弹的备选材料。

左上图是第三代金属玻璃弹芯穿甲弹材料的扫描电子显微镜图片，左下图是对应的模型。
图源：[7]

比来创造的由铱、镍、钽三种元素组成的金属玻璃，由于金属玻璃独特的无序构造特点，具备极强的耐蚀和抗氧化能力。
这种金属玻璃可在王水中浸泡数月而不被堕落，而且在常规金属难以耐受的高温环境中也难以被氧化。
利用这类新型金属玻璃制成的零部件不仅能在高温条件下服役，而且能在非常恶劣环境中利用，以是可以运用到普通金属难以触及的领域。

左图是铱镍钽金属玻璃的圆柱形棒材，右图是铱镍钽金属玻璃做成的微型齿轮。
图源：[8]

02

会变得更五彩缤纷

我们对物品颜色的须要是多元多样的，在商品生产中对付颜色的调节和掌握具有主要意义。
金属合金表面着色技能紧张利用电化学沉积来进行，这种工艺通过改变表面氧化层厚度所决定的可见光干涉来使得金属表面呈现不同的颜色。
但是对付这种工艺来说，由于电化学沉积的氧化层的厚度在产品的利用过程中是险些不会改变的，以是这项技能所实现的产品颜色在利用过程中也是固定的，也便是说一次加工只能实现一种颜色。

但是最近研究表明，有一种由稀土元素铈作为紧张组元的金属玻璃。
这种金属玻璃由于铈元素具有一定的化学活性，以是在室温下有高的氧化速率，再加上金属玻璃中均匀的原子种类分布，使得非晶合金的表面氧化层厚度均匀。
通过一定的合金化方法，研究职员实现了金属材料在自然条件下的随韶光变色。

彩色金属玻璃颜色随韶光变革规律，在一百多天的韶光内，金属玻璃的外不雅观变换了多种颜色。
图源：[9]

03

会变得更民平易近

金属玻璃由于其原子排布无序，没有晶体材料周期性原子晶格的限定，会表现出非常高的弹性极限。
金属玻璃薄膜在仿生学中有主要运用，比如一种金属玻璃皮肤是通过将锆基金属玻璃薄膜直接成长在柔性塑料衬底上得到的。
金属玻璃皮肤柔性好，很随意马虎波折超过180度，这是常规金属难以实现的性能。
通过改变金属玻璃薄膜的厚度，金属玻璃皮肤人眼视觉上可以变“透明”。

金属玻璃皮肤同时保留了金属材料高电导率的特点，而且电阻与应变之间有完美的线性关系，这种线性关系稳定性非常好。
上面的这些特点使得金属玻璃皮肤可以用来灵敏地监测手指波折程度，在医学和仿生学等方向有很大运用前景。

看完变得“玻璃心”的金属——金属玻璃，是不是觉得一种造福人类的前辈材料正在逐步地发展成熟呢？

金属玻璃不仅是浩瀚非晶材料中的新成员，也是一种新型金属材料。
这种合金被称之为金属玻璃，但不是由于它像玻璃那样脆而透明，而是由于组成这种金属的内部原子排列像玻璃一样是长程无序的，是一种玻璃态构造。
本文先容的金属玻璃的运用仅仅是冰山一角，金属玻璃主要的代价正在被科研事情者逐渐挖掘，期待将来金属玻璃带给我们更多惊喜吧！

参考文献：

[1] Small Struct. 2021, 2, 2000057

[2] Progress in Physics, 2013, 33(5): 177-351.

[3] NPG Asia Mater. 3, 82–90 (2011)

[4] Mater. Sci. Eng. R,2004, 44: 45

[5] Appl. Phys. Lett. 105, 161901 (2014)

[6] Acta Biomaterialia 36 (2016) 1–20

[7] Materials and Design 93 (2016) 485–493

[8] Nature, 2019, 569(7754): 99 104.

[9] Journal of Alloys and Compounds 901 (2022) 163674

[10] Appl. Phys. Lett. 111, 121906 (2017)

作者｜中科院物理所新媒体中央

审核｜罗会仟 中国科学院物理研究所研究员

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