什么！这些金属材料竟然也有“玻璃心”？
发布时间：2024-09-16
当一个人拥有脆弱敏感的心理状态，对他人随随便便的评价特别在意，并且反复回想自己的错误，让过去的经历不断折磨自己，心灵就像玻璃一样易碎，这种状态被称为“玻璃心”。
因此，人们需要减少这种玻璃心，培养自己的坚韧与强大。
但如果换个角度思考，周围的常见金属材料强度和硬度都很高，它们是许多结构部件的“核心”，在生活中无处不在。
如果连非常强韧的金属也变得“玻璃心”，我们的生活将会怎样？
在思考这个问题之前， 首先需要了解一个问题：金属是如何变得玻璃心的？
宏观的固体材料是由许多微观粒子（原子、分子或离子）紧密结合形成的，我们按照这些微观粒子的排列方式可将材料分为两大类： 有规则排列的晶态物质和缺少长程有序的非晶物质 （即我们常说的玻璃态物质）。
我们日常所见的材料，如塑料、玻璃、沥青、琥珀和橡胶等，都是玻璃态固体，这意味着它们的粒子排列并不周期性。
晶体、玻璃态、气态物质的原子排布示意图
随着现代冶金技术的进步，特别是热合金熔体快速冷却技术的逐步成熟，该技术可以在室温下保持合金的非平衡状态结构，这使得金属熔体中的原子无法及时扩散到平衡状态，最终形成的固体原子构型也展现出无序排列的特性。
这种以超高冷却速度生产的合金即是具有如同玻璃般无序原子排列的非晶合金，也称为金属玻璃。
金属玻璃和晶态金属的高分辨透射电子显微镜照片对比 ，可以看出金属玻璃的原子排列无序，而晶态金属则是规则排列。
这种金属玻璃外观上与常规金属并无明显差别 ，那么具备“玻璃心”的金属材料在实际生活中具备哪些优越性能呢？
利用快速冷却技术制造的大块非晶合金的照片
01
将会变得更强更优
传统晶体金属的变形依赖于其内部周期性排列的原子所产生的缺陷，而金属玻璃却不具备这种晶体中的变形缺陷，因此， 其强度和硬度相对较高。
高强度成为金属玻璃最显著的力学特征之一。
各类合金在玻璃化后，其硬度明显高于相应的晶态合金， 特别是钴基金属玻璃创造了目前金属材料强度的最高记录，其强度是普通钢的十五倍。
相较于日常使用的钢铁，铁基金属玻璃的抗断裂强度是一般结构钢的数倍，堪称高强金属材料。
直径为1毫米的圆柱形铁基金属玻璃及其压缩实验后的形态
得益于金属玻璃所具备传统不锈钢无法达到的强度、耐磨性及液体一样的加工精度，部分锆基和钛基等成分的非晶合金已经被应用在了手术刀片上，具备陶瓷级别的锋利度。
左侧为镀有锆基非晶合金的钢制手术刀片，右侧为整体制造的锆基金属玻璃手术刀片
当外部载荷速率极高时，金属玻璃的动态韧性急剧上升。
在此情况下， 某些特定成分的金属玻璃具备高强度、高韧性及良好的侵彻性能，能够用于制造反坦克的动能穿甲弹。
即金属玻璃弹芯的穿甲弹非晶合金在高速冲击时，其高韧性与侵彻性使其更具穿甲能力，是第三代穿甲和破甲反坦克导弹的一项备选材料。
左上为扫描电子显微镜下的第三代金属玻璃弹芯穿甲弹材料，左下为对应的模型，蓝色圆柱代表钨丝，中间的紫色填充物为锆基金属玻璃
最近发现，铱、镍和钽三种元素组成的金属玻璃，基于其独特的无序结构，展现出极强的耐蚀及抗氧化能力。
该金属玻璃能在王水中浸泡数月而不受腐蚀，且在高温环境下亦难以氧化。
利用这种新型金属玻璃制作的零部件不仅可以在高温条件下工作，还能在极为恶劣的环境中使用，因而可应用于一般金属难以接触的领域。
左图为铱镍钽金属玻璃的圆柱形棒材，右图为铱镍钽金属玻璃制造的微型齿轮，这些组件能在极其恶劣的环境中应用。
02
将会变得更加多彩
我们对物品颜色的需求是多样化的，在商品生产中对颜色的调节和控制显得至关重要。
金属合金表面着色的技术主要利用电化学沉积进行，此工艺 通过改变氧化层的厚度来决定可见光干涉，从而使金属表面呈现不同的颜色。
但是此工艺由于氧化层的厚度几乎不会在产品使用中改变，因此使用过程中产品的颜色也是固定的，这意味着一次加工只能实现单一颜色。
然而，研究显示，一种以稀土元素铈为主要成分的金属玻璃，因其铈元素具备较高的氧化速率，加之金属玻璃中各原子均匀分布，使得非晶合金的表面氧化层厚度的一致性增强。
通过一定的合金化方法，研究人员实现了金属材料在自然条件下随时间变化其颜色的效果。
彩色金属玻璃颜色随时间变化的规律，在百余天内，金属玻璃的外观呈现多样颜色变化。
03
将会变得更平易近人
金属玻璃因其原子排列无序，不受晶体材料周期性原子晶格的限制，展现出极高的弹性极限。
这使得金属玻璃薄膜在仿生学领域具有重要应用，例如通过将锆基金属玻璃薄膜直接生长在柔性塑料衬底上获得的金属玻璃皮肤。
此金属玻璃皮肤柔韧性极佳，可以轻松弯曲超过180度，这是传统金属难以实现的性能。
通过调整金属玻璃薄膜的厚度，金属玻璃皮肤在人眼视觉上可以呈现“透明”效果。
左图为柔性优异的金属玻璃皮肤展示，轻松弯曲超过180度；右图为通过调整金属玻璃皮肤的厚度获得的“透明”金属玻璃皮肤。
金属玻璃皮肤同时保留了金属材料高电导率的特性 ，
并且电阻与应变之间呈现完美的线性关系，稳定性极佳。
这些特点使得金属玻璃皮肤能够灵敏监测手指的弯曲程度，未来在医学与仿生学等领域可发挥巨大应用潜力。
看到那些变得具有“玻璃心”的金属——金属玻璃，是否让你觉得一种对人类有益的先进材料正在逐步发展成熟呢？
金属玻璃不仅是众多非晶材料中的新成员，更是一种新型金属材料。
称之为金属玻璃，并非因它如玻璃般脆弱透明， 而是由于构成这种金属的内部原子排列呈现长程无序的玻璃态结构。
本文介绍的金属玻璃应用仅为冰山一角，金属玻璃的重要价值正在被科研人员逐步挖掘，期待未来金属玻璃能带给我们更多惊喜！