金屬玻璃

對科學家來講，玻璃是任何能從液體冷卻成固體而無結晶的材料。大多數金屬冷卻時就結晶，原子排列成有規則的形式稱作晶格。如果不發生結晶並且原子依然排列不規則，就形成金屬玻璃。不像玻璃板，金屬玻璃不透明或者不發脆，它們罕見的原子結構使它們有著特殊的機械特性及磁力特性。普通金屬由於它們晶格的缺陷而容易變形或彎曲導致永久性地失形。對比之下，金屬玻璃在變形后更容易彈回至它的初始形狀。缺乏結晶的缺陷使得原鐵水的金屬玻璃成為有效的磁性材料。

金屬玻璃是 1960 年被發明的新材料，多年以來被各國科學家廣泛而深入地研究。與相應的晶態合金相比，這種材料展現出非常獨特的力學與物理性能，使之在多個領域都有廣闊的應用前景。同時，金屬玻璃作為結構無序材料中一類相對簡單的代表體系，是研究非晶態物理的一個比較理想的材料模型。解決金屬玻璃中的基本科學問題，比如它的結構表徵、形變機理、玻璃轉變、玻璃形成能力等，不僅可以促進金屬玻璃本身的應用，而且也將推動整個凝聚態物理學的發展。

金屬玻璃的出現可以追溯到20世紀30年代，Kramer第一次報道用氣相沉積法製備出金屬玻璃，在1950年，冶金學家學會了通過混入一定量的金屬——諸如鎳和鋯一去顯出結晶體，1960年，美國加州理工學院的Klement和Duwez等人採用急冷技術製備出金屬玻璃。當合金的薄層在每秒一百攝氏度的速率下冷卻時，它們形成金屬玻璃。但因為要求迅速冷卻，它們只能製造成很薄的條狀物、導線或粉末。

最近，科學家通過混合四到五種不同大小原子的元素，去形成諸如條狀的多種多樣的金屬玻璃。變化原子大小使它混合而形成玻璃從而變得更韌。這些新合金的用途之一是在商業上用來製造高爾夫球棍的頭。

大部分的金屬在冷卻時都會結晶，把它們的原子排列成有規則的圖案，叫做晶格。但如果結晶不出現，原子便會隨機排列，成為金屬玻璃。

普通玻璃的原子也是隨機排列，但它不是金屬。金屬玻璃並不透明，它擁有獨特的機械和磁性特質，不易破碎和不易變形。它是製造變壓器、高爾夫球棒和其他產品的理想物料。

目前生產的金屬玻璃是較薄和較細的，因為金屬冷卻時很快便會結晶，所以需要非常快的冷凍。美國約翰斯鶴健士大學的研究員何納喬，正研究如何生產有超級強力、彈力和磁力特質，但是較為大塊的金屬玻璃。這種新的金屬會保持固體而不會在高溫下結晶，這將會適於製造引擎零件及軍用武器。

用鐵造的金屬玻璃是很好的磁性物質，而且由於加熱后便變得柔軟，容易鑄造成不同形狀的製成品。

圖中所見是何納喬利用感應熔爐，很快的將金屬混合物溶化，變為金屬玻璃。

在國家科學基金和美國軍隊研究總局的支助下，Hufnagel已建立了試驗新合金的實驗室。他試圖創建一種在高溫下將依然為固體並不結晶的合金金屬玻璃，使它能成為發動機零件有用的材料。該材料也可用於穿甲炮彈等軍事場合。不象大多數結晶金屬炮彈，在衝擊后從平的形狀變為蘑菇形狀，Hufnagel相信；金屬玻璃彈頭的各邊將轉向並給出最好穿透力的削尖射彈。

製造厚的、笨重形狀的金屬玻璃是困難的，因為大多數金屬在冷卻時會突然出現結晶現象，製造玻璃，金屬必會變硬，因為晶格成形時會改變，從純金屬——諸如銅、鎳去創建玻璃，它將以每秒鐘一萬億攝氏度的速率下冷卻。

傳統的晶體材料，其原子周期性地排列成晶格，而晶格又是有缺陷的，如位錯、層錯等。這些缺陷運動所需要的能量比較低，使晶體的宏觀塑性變形比較容易實現。那麼對於沒有晶格結構的金屬玻璃來說，它的塑性形變機理是怎樣的呢？

宏觀上來看，金屬玻璃的形變特徵與溫度有密切的關係。在溫度靠近玻璃轉變點乃至更高時，外力的作用下材料每一部分都參與變形，表現為粘滯性流動，被稱為均勻變形。在溫度遠低於玻璃轉變點時，金屬玻璃則往往表現為非均勻變形，變形區域只集中在很小的區域，其尺度為10~50 nm，這種變形區域被稱為剪切帶。由於一般金屬玻璃的玻璃轉變溫度點遠高於室溫，形變局域化是室溫下金屬玻璃變形的主要特徵，並且得到了廣泛的關注。高度局域化的形變只發生在剪切帶內，剪切帶在形成之後在沒有約束的條件下就會快速擴展，最終導致材料的脆性斷裂。這便是室溫下金屬玻璃沒有宏觀塑性的原因，而解決這個問題是促進金屬玻璃應用的關鍵一環，很多研究人員在這個方向上做出了艱苦的努力。為了增加塑性，有的人採用製備複合材料的方法，有人採用引入殘餘應力或其他加工方法。2007 年，中國科學院物理研究所柳延輝等在《Science》上報道，開發出在室溫具有超大壓縮塑性的金屬玻璃，並且可以像純銅、純鋁一樣彎曲成一定形狀，從而進一步引領出一大批相關的研究工作。但是，金屬玻璃室溫宏觀塑性的問題並沒有解決，尤其是大家期望的拉伸塑性並沒有得到，學術界期待著新的進展。

從微觀上來看，形變涉及到材料的局部原子重排。從這個角度來研究形變的起源，目前有兩種比較主流的理論模型，分別是“自由體積”模型和“剪切轉變區”模型。自由體積模型最初由 Cohen 及 Turnbull 等提出用來解釋玻璃轉變的問題，後來被 Spaepen 用來理解玻璃的形變。此模型認為金屬玻璃的形變是靠單個原子的躍遷運動實現的，並且，每一個原子在任一位置都佔有一定比例的自由體積、擁有自由體積多的地方，原子躍遷運動容易實現；擁有自由體積少的地方，原子躍遷運動則不容易實現。在無外力作用的情況下，原子向各個方向躍遷的幾率相等，而在有外力作用的條件下，原子則傾向於向某個方向躍遷，從而造成在應力方向上的形變。但是，由於自由體積本身是一個模糊的概念，而且很難想象單個原子的躍遷就能夠順應外界所給的應力，所以，自由體積模型的基礎是很不牢靠的。不過，它提供了非常直觀的概念去理解形變，而且非常簡單，因此，對玻璃領域的工作者具有非常廣泛的影響。剪切轉變區模型則是一個更加經典和著名的模型，由Argon 等從肥皂泡閥的類比而發展出來。他們認為，金屬玻璃的變形在微觀上並不是由單個原子的躍遷而導致，而是由好幾個原子構成的原子團簇相對於基體的剪切運動所導致，發生這種剪切運動的原子團簇被稱為“剪切轉變區”，剪切轉變區產生的局部塑性變形積累最終導致宏觀尺度的形變。基於上述模型，金屬玻璃的很多形變現象可以得到解釋，如低溫下剪切帶的局域化、高溫下的均勻流變等等。但是，由於剪切轉變模型把局域的剪切轉變當成單個事件，也就是說這種處理方法忽略了不同形變基本單元之間的相互作用，也造成有一些實驗現象它不能作出解釋，如應力應變曲線上的鋸齒波現象等。最近的研究工作對這種鋸齒波行為進行了詳細的分析，發現脆性金屬玻璃的剪切帶動力學具有混沌行為的特點，而韌性金屬玻璃可以演化到自組織臨界狀態。這些結果說明，非晶合金在變形的過程中，其剪切帶運動是比較複雜的，需要考慮多重剪切帶之間的相互作用以及協同運動。