第十一章 金属玻璃.ppt

第十一章 金属玻璃 一、概念与解释 金属玻璃又称为非晶态合金 ，是从一种熔体冷却成固体的过程中没有发生结晶的金属材料。 金属玻璃兼有金属和玻璃的优点，克服了玻璃易碎、没有延展性等缺点。金属玻璃的强度高于钢，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 ” 二、发展历史 我们认识的所有金属，几乎无一例外地属于晶态材料。金属能不能产生非晶态呢？这一直是近代材料学者需要破释的一道难题。 世界上有关非晶态合金研究的最早期报道是1934年德国人克雷默采用蒸发沉积法制备出非晶态合金。 1950年，德国人布伦纳又声称用电沉积法制备出了Ni-P非晶态合金。 1960年，美国人杜威兹等直接将熔融金属急冷制备出非晶态合金。他领导的一个研究小组采用一种快速凝固工艺，将Au-Si合金熔液以每秒100万度的速率快速冷却（急冷法），即将高温的合金熔液喷射到高速旋转的冷却铜辊上，使熔液快速冷却，从而制得金属玻璃。当时一位物理学家看到这种合金材料时，以嘲讽的口吻说这是一种“愚蠢的合金”。殊不知这一新发明开创了金属材料学的一个新领域。 1969年，美国人庞德和马丁发明了制备连续生长条带的技术，为规模生产非晶态合金奠定了技术基础。 1976年美国联信公司利用快速凝固技术生产出10mm宽的非晶态合金带材，到1994年已经达到年产4万吨的能力。 但是，金属玻璃的形成需要每秒百万度的冷却速率，形成的金属玻璃只能是很薄的带状或细丝状，使这类材料的应用受到了极大的限制。寻求制备大块状金属玻璃的技术成为几十年来科学家们追求的目标。 20世纪90年代，日本东北大学金属材料研究所井上明久等人开始系统研究一系列多组员合金族的玻璃形成能力，制得了镧系、镁系、锆系等具有很强非晶形成能力的大块金属玻璃体系。 W.L.Johmson是加州理工学院材料科学的教授、杜威兹的学生，他发现了迄今为止非晶形成能力最好的铝基金属玻璃系，形成能力接近传统氧化物玻璃，稳定性高。这种合金形成玻璃所需的冷却速率被大大降低，制成的合金玻璃的直径可达十多厘米，重几十公斤。 三、生产工艺 制备金属玻璃采用的是快速凝固工艺，即将处于熔融状态的高温合金熔体喷射到高速旋转的冷却辊上。合金熔体以每秒百万度的速度迅速冷却，以致金属中原子来不及规则排列而形成了杂乱无章的组合，这样就产生了非晶态合金。 四、金属玻璃的特性 与晶态合金相比，非晶态合金在物理性能、化学性能和机械性能几方面发生了显著的变化，它的新特性主要表现在： 1.?物理性能 ???非晶态合金的强度、韧性和耐磨性明显高于普通钢铁材料，用非晶态材料和其他材料可以制备成复合材料，也可以单独制成耐磨器件。 2. 优异的磁学特性 ???如今，电力电子器件朝着高效、节能、小型化的方向发展，新的科技发展方向对磁性材料也提出了新的要求。于是，一种体积小、重量轻的非晶态软磁材料以低损耗、高导磁的优异特性正逐步取代一部分传统的硅钢、坡莫合金和铁氧体材料，成为目前研究最深入、应用领域最多、最引人注目的新型功能材料。 3. 优异的化学性能 ?? 非晶态合金对某些化学反应具有明显的催化作用，可以用作化工催化剂；某些非晶态合金通过化学反应可以吸收和释放出氢，可以用作储氢材料。由于没有晶粒和晶界，非晶态合金比晶态合金更加耐腐蚀，因此，它可以成为化工、海洋等一些易腐蚀的环境中应用设备的首选材料。 五、金属玻璃的用途 2008年5月15日，美国《连线》杂志报道，美国加利福尼亚理工学院研制一种必威体育精装版 “金属玻璃”材料，该材料的硬度和弹性是钛的两倍，用它制造的3毫米直径合成金属棒能够支撑一辆2吨重的卡车，金属棒仅仅出现轻度弯曲，而不像其他金属棒被折断。 金属玻璃的商业化应用始于1992年。Johmson教授是一位高尔夫球迷，他一直希望为他热爱的运动做些什么，金属玻璃成为最好的选择。因为金属玻璃凝固时没有结晶，Johmson相信这就是为什么它的强度可以是钛金的2-3倍，同时又具有很好的延展性的原因。比如，锆-钛基体块玻璃的断裂强度达2000MPa，远高于晶态材料，而且具有更高的模量和弹性形变极限，表现出非常好的弹性，因此这种材料现已被用于制作高尔夫球杆的击球部位。美国、欧洲和亚洲市场上已有这种新型的高尔夫球杆出售。 金属玻璃已被用于太空计划和未来军事防御的许多领域。美国军方正与美国加州理工学院、霍普金斯大学合作，研究用于制作穿甲弹弹芯材料的块体金属玻璃及其复合材料。在未来战争中超强金属玻璃穿甲弹将代替贫钢弹，成为抵御敌人地面坦克、击毁地下堡垒的重要武器。美国等西方国家自2008年开始装备金属玻璃反装甲武器，同时还用复合装甲的夹层，以提高坦克、战斗机、舰艇和其它装备的防御能力。 美国航空航天局已将大块金属玻璃广泛应用于空间探索