勝過金屬的金屬玻璃

王殿華

一說到玻璃，大多數(shù)人立刻就會(huì)想到玻璃窗、玻璃板、玻璃器皿。的確，到目前為止，玻璃的最主要用途仍在上面這些方面。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和玻璃品種的增加，玻璃的用途也越來越廣。

玻璃緣起

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。于是船員們來到岸上，燒火做飯。做飯時(shí)他們用天然蘇打來做鍋的支架。吃完飯后，有船員突然發(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，船員們把這些閃著光的東西帶到船上仔細(xì)研究起來。他們發(fā)現(xiàn)，這些亮晶晶的東西上沾有一些石英砂和融化的天然蘇打。原來，這些閃光的東西就是他們做飯時(shí)用來做鍋的支架的天然蘇打，在火焰的作用下，天然蘇打與沙灘上的石英砂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而生成了這種晶體，它就是最早的人工玻璃。后來腓尼基人把石英砂和天然蘇打混合在一起，在一種特制的爐子中熔化后制成玻璃球去賣，腓尼基人因此發(fā)了一筆橫財(cái)。大約在4世紀(jì)，羅馬人開始把玻璃應(yīng)用在門窗上。1291年，意大利的玻璃制造技術(shù)已經(jīng)非常發(fā)達(dá)。1688年，一名叫納夫的人發(fā)明出制作大塊玻璃的工藝，從此，玻璃成了我們生活中非常平常的物品。

其實(shí)早在公元前約4000年，埃及人就已經(jīng)能夠制造出被稱為費(fèi)昂斯(fa-ience)的原始玻璃了，它具有不同于后期真正玻璃的晶粒結(jié)構(gòu)。費(fèi)昂斯制品曾長(zhǎng)期流行于西亞及地中海一帶，其后被真正的玻璃替代。我國(guó)古代也曾制造出無色或半透明的玻璃，人稱琉璃。琉璃也屬于費(fèi)昂斯。相傳琉璃是公元前493年范蠡督造王者之劍時(shí)所發(fā)現(xiàn)的。這種神奇的物質(zhì)被稱為“蠡”。之后范蠡遍訪能工巧匠，將“蠡”打造成一件精美的首飾，作為定情之物送給西施。琉璃是中國(guó)傳統(tǒng)建筑中的重要裝飾構(gòu)件，通常用于宮殿、廟宇、陵寢等重要建筑。琉璃的主要成分為二氧化硅。但與西方水晶玻璃的始祖

“費(fèi)昂斯”的二氧化硅含量(92％～99％)相比，中國(guó)古代琉璃中的二氧化硅比例略低。

自然界中也存在玻璃，它是由火山噴出的酸性巖凝固而得。人工制造的玻璃則是以石英砂、純堿、長(zhǎng)石和石灰石等為主要原料，經(jīng)熔融、成型、冷卻固化而成的非結(jié)晶無機(jī)材料。普通玻璃在熔融時(shí)會(huì)形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

，冷卻過程中材料黏度逐漸增大并硬化，成為不結(jié)晶的硅酸鹽類非金屬材料。它具有一般材料難以具備的透明性，具有優(yōu)良的機(jī)械力學(xué)性能和熱工性質(zhì)。

玻璃態(tài)

固態(tài)物質(zhì)一般分為晶體和非晶體，構(gòu)成晶體的原子(或離子或分子)具有一定的空間結(jié)構(gòu)(即晶格)，晶體具有一定的晶體形狀和固定熔點(diǎn)，并不具有各向同性(材料在各個(gè)方向上的力學(xué)性能和物理性能指標(biāo)都相同)。而玻璃是一種非晶體，具有無定型固體狀態(tài)(固體內(nèi)部原子或分子的排列沒有周期性和規(guī)則性，如同液體那樣雜亂無章地分布)，這種結(jié)構(gòu)被稱為玻璃態(tài)(glassy stale)。

玻璃態(tài)是固態(tài)物質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu)。有同樣結(jié)構(gòu)的固體其實(shí)還有很多，大多數(shù)高分子聚合物也都屬于玻璃態(tài)物質(zhì)，如松香、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)。玻璃態(tài)也可以看成是保持液體結(jié)構(gòu)的固體，是常壓下低于O~C而不結(jié)冰的水，本質(zhì)上來說它仍屬于液態(tài)，但流動(dòng)性比起普通的液態(tài)水要弱很多，這時(shí)的水其實(shí)就是過冷液體，介于液態(tài)與固態(tài)之間，也可以稱其為玻璃態(tài)的水。玻璃態(tài)物質(zhì)沒有固定的形狀和固定熔點(diǎn)，具有各向同性。它們隨著溫度的升高逐漸變軟，最后才熔化，變軟后可以被加工成各種形狀。玻璃態(tài)物質(zhì)在熔融狀態(tài)下具有很高的黏度，形成無序的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

，在溫度降低時(shí)，容易處于過冷狀態(tài)，使其無序態(tài)得以在固相中保持。

玻璃表面看上去是固體，實(shí)際上是具有固體狀態(tài)的液體，這是科學(xué)家經(jīng)過50多年來不斷探索才認(rèn)識(shí)到的。英國(guó)、澳大利亞及日本的科學(xué)家聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，玻璃無法成為固體的原因在于玻璃冷卻時(shí)所形成的特殊的原子結(jié)構(gòu)。英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的帕特里克·羅亞爾說：“一些材料在冷卻時(shí)會(huì)形成結(jié)晶，其原子會(huì)以高度規(guī)則的模式進(jìn)行排列，稱為‘晶格。不過玻璃在冷卻時(shí)，原子擁堵在一起，幾乎隨機(jī)排列，妨礙了規(guī)則晶格的形成?！边@種無規(guī)則結(jié)構(gòu)的非結(jié)晶狀態(tài)就是玻璃態(tài)，發(fā)現(xiàn)玻璃態(tài)對(duì)理解亞穩(wěn)態(tài)材料(熱力學(xué)上處于次一級(jí)穩(wěn)定狀態(tài)的一大類材料，是國(guó)際上材料科學(xué)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能有時(shí)要高于穩(wěn)態(tài)材料)來說是個(gè)重大的突破，它將使進(jìn)一步開發(fā)金屬玻璃等新材料成為可能。另外，如果能夠通過操作使金屬在冷卻時(shí)形成玻璃—樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將大大減少金屬內(nèi)部的缺陷。

玻璃之王

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在一定的條件下，金屬也能做成玻璃，這種金屬做的玻璃被稱為金屬玻璃、玻璃態(tài)金屬或非晶態(tài)合金。1959年，美國(guó)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，將高溫金一硅合金熔體噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，以每秒100萬攝氏度的冷卻速度快速冷卻熔體，第一次制備出了不透亮的玻璃。當(dāng)時(shí)的一位物理學(xué)家看到這種合金材料時(shí)，曾嘲諷地說這是一種“愚蠢的合金”。這種不透亮、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。

通常情況下，金屬及合金在從液體凝固成固體時(shí)，原子總是從液體的混亂排列轉(zhuǎn)變成整齊的排列，即成為晶體。但是，如果金屬或合金的凝固速度非?？欤觼聿患芭帕姓R便被凍結(jié)住了，最終的原子排列方式類似于液體，是混亂的，這就是非晶合金。因?yàn)榉蔷Ш辖鹪拥幕靵y排列情況類似于玻璃，所以又被稱為金屬玻璃。金屬玻璃兼有金屬和玻璃的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的弊病。它具有一定的韌性和剛性，強(qiáng)度高于鋼，硬度超過高硬工具鋼，斷裂強(qiáng)度也比—般的金屬材料高得多，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。有些還有良好的磁學(xué)性質(zhì)，可用于制造高壓容器、火箭等關(guān)鍵部位的零部件、機(jī)械振蕩器、電流脈沖變壓器、磁泡器件等。非晶態(tài)軟磁材料則可以用來制造錄音機(jī)、錄像機(jī)的磁頭、磁帶。

從理論上說，任何物質(zhì)只要它的液體冷卻速度足夠快，原子來不及整齊排列就凝固，那么原子在液態(tài)時(shí)的混亂排列被迅速凍結(jié)，就可以形成非晶態(tài)。但是，不同的物質(zhì)形成非晶態(tài)所需要的冷卻速度大不相同。例如，普通的玻璃液體只要慢慢冷卻下來，得到的玻璃就是非晶態(tài)的。單一的金屬則需要每秒高達(dá)1億攝氏度以上的冷卻速度才能形成非晶態(tài)。由于目前工藝水平的限制，實(shí)際生產(chǎn)中難以達(dá)到如此高的冷卻速度，也就是說，單一的金屬難以在生產(chǎn)上被制成非晶態(tài)。為了獲得非晶態(tài)的金屬，人們一般將金屬與其他物質(zhì)混合形成合金。這些合金具有兩個(gè)重要性質(zhì)：第一，合金的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于純金屬，例如純鐵的熔點(diǎn)為1538℃，而鐵硅硼合金的熔點(diǎn)—般在1200℃以下；第二，液體狀態(tài)的合金原子更加難以移動(dòng)，在冷卻時(shí)更加難以整齊排列，也就是說更容易被“凍結(jié)”成非晶體。例如，鐵硼合金只需要每秒100萬攝氏度的冷卻速度就可以形成非晶態(tài)。

玻璃態(tài)金屬有很多優(yōu)點(diǎn)以及獨(dú)特的功用，如：高強(qiáng)韌性、優(yōu)良的磁性、簡(jiǎn)單的制造工藝等，人們贊揚(yáng)它是“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”。美國(guó)、歐洲等國(guó)家和地區(qū)的研究人員稱之為“21世紀(jì)的材料”。我們?cè)谌粘Ｉ钪薪佑|的非晶態(tài)材料很多，如采用非晶態(tài)合金制備的高耐磨音頻視頻磁頭在高檔錄音機(jī)、錄像機(jī)中被廣泛應(yīng)用，采用非晶態(tài)合金的高爾夫球桿、釣魚桿也已經(jīng)面世。迄今為止，國(guó)內(nèi)外非晶合金開發(fā)最多的是作為軟磁材料的一類。它們是由鐵磁性元素(鐵、鉆、鎳或者它們的組合)和類金屬元素(硅、硼、碳，也叫做玻璃化元素)等組成的。非晶態(tài)軟磁材料在圖書館或超市中被做成條帶夾在書籍或者商品中，也可以做成商品標(biāo)簽。如果尚未付款，貨品就被帶出，則在出口處的檢測(cè)裝置會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。非晶合金還被大量應(yīng)用在電力系統(tǒng)。

航天方面，現(xiàn)在衛(wèi)星收集太陽能維持運(yùn)轉(zhuǎn)的伸展機(jī)構(gòu)大多使用的是高分子有機(jī)材料，存在易揮發(fā)和易老化的問題，會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)能穿甲彈。金屬玻璃和鎢復(fù)合制成的穿甲彈頭，密度高、強(qiáng)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(duì)人類健康和環(huán)境造成嚴(yán)重危害的貧鈾彈。

超強(qiáng)金屬玻璃

據(jù)美國(guó)《連線》雜志報(bào)道，不久前，美國(guó)加利福尼亞理工學(xué)院以最新方法制造出一種“金屬玻璃”材料，該材料的硬度和彈性是鈦的兩倍，用它制造的3毫米直徑合成金屬棒能夠支撐一輛2噸重的卡車，金屬棒僅僅出現(xiàn)輕度彎曲，而不像其他金屬棒被折斷。這種金屬材料可用于航天和汽車制造行業(yè)，也可以用于電子制造業(yè)，使用該材料制造的宇宙飛船和汽車將非常輕。該材料的超強(qiáng)硬度來自于其玻璃態(tài)的無序原子結(jié)構(gòu)。

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。隨著金屬玻璃的發(fā)展及其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，我們的生活將有更多的選擇及便利。

【責(zé)任編輯】趙菲