材料科学导论-神奇的金属玻璃.doc

材料科学导论课程论文神奇的金属玻璃学号：C40814078姓名：石台专业：化学工程与工艺神奇的金属玻璃在好莱坞电影终结者中，由金属制成的变形机器人T一3以刀能随意变换成各种形状，甚至可以从门下的小缝隙中飞走。现在对于人类来说，这将不再是科幻片中的幻想。一种新型的“终结者”材料面世，这就是“金属玻璃”。 定义：金属玻璃是一种特殊的合金材料。通常金属原子都是有序排列的晶体结构,而在金属玻璃中,原子的排列如同液体或者玻璃一样杂乱无章。虽然从严格意义上来说,金属玻璃并不是液体,但是由于它没有固定的外形,可以像液体一样随意流动,所以人们喜欢形象地称之为“液态金属”。结构与机理：要了解“金属玻璃”，首先得了解什么是金属，什么是玻璃以及两者的差别。金属在从液态冷却凝固的过程中有确定的凝固点，原子按一定的规律排列，形成晶体；而玻璃从液态到固态是连续变动的，没有明确的分界线，即没有固定凝固点。因此，金属是一种典型的晶体材料，它的许多特性是由其内部晶体结构决定的；而玻璃却是一种非晶体材料，固态玻璃和液态玻璃内部原子呈无序排列。 大部分的金属在冷却时都会结晶，把它们的原子排列成有规则的图案，叫做格构 (lattice)。但如果结晶不出现，原子便会随机排列(random arrangement)，成为金属玻璃 (metallic glass)。金属玻璃的特点：新型金属玻璃最主要特点和优势是具有很高的强度、硬度、弹性、刚性，它可以经受180弯曲而不断裂，是钢的5倍。具有迄今为止金属所没有的各种特性。总之，与结晶金属相比，金属玻璃没有结晶结构，原子在一点点的间隙中有活动余地，因此它比普通金属的弯曲性、复原性更好。科学家还发现金属玻璃比结晶金属的弹性极限提高了3倍。另外，在耐腐蚀性上，由于结晶金属存在“缺陷”，容易给腐蚀的发生提供缝隙，而金属玻璃的表面整齐致密，不给腐蚀提供任何机会，所以其耐腐蚀性更强。如果再使用一种以上的耐腐金属作为金属玻璃的成分，那么这种金属玻璃的耐腐蚀性就会大大加强。因此金属玻璃被人们赞为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王” 金属玻璃的特性及用途：首先，金属玻璃具有优良的机械性能，是一种理想的补强材料和耐磨材料。例如，有一种铁磷碳金属玻璃，其韧性是钢的5倍，是铝合金的10倍。因此，金属玻璃最适合用来制造轮胎帘子线、复合增强弹簧和各种经久耐用的刀具等。其次，金属玻璃具有优良的磁学性能，如磁感应强度和磁导率高，热稳定性好，同时还具有较高的耐磨性，适宜用作磁性材料，如铁芯、磁头、电极、磁盘等。用含有铬和磷的金属玻璃来制造铁芯，不仅使用过程中由于发热而消耗的电能只有硅钢片铁芯的l/4，可以节约大量的电能，而且制备及处理的工艺简单多了。用金属玻璃制成的磁头不易磨损，使用寿命长。再次，金属玻璃具有极好的耐腐蚀性，是一种理想的耐腐蚀性材料例如，不锈钢在温度为40，浓度为10的二氯化铁浩液中，每年表层被腐蚀掉18毫米，而含铬、磷的金属玻璃在同样情况下，竟“固若金汤”，腐蚀速度接近于零。其抗腐蚀能力是不锈钢的100万倍，可以说是永不生锈的材料。因而，金属玻璃合金特别适合用来制造耐酸碱的化工部件和抗海水腐蚀部件。还有，金属玻璃还具有极高的强度：目前，铁系金属玻璃的屈服强度约为4000兆帕，镍系和钻系金属玻璃的屈服强度为3000兆帕，远远超过了同类的晶态合金的强度。另外，金属玻璃可以用来制造许多重要设备的器件，如飞船和火箭的外壳、高压容器以及海底电缆等。【下列图为其应用实例】： 目前国内国外研究现状和应用领域：目前科学家研制的金属玻璃，强度是工业用钢铁的3倍，柔韧性是钢铁的10倍。美国利用金属玻璃出色的弹性进行防弹车身和战舰的研制。日本考虑到这种材料的成本昂贵，目前还没考虑用于普通轿车的计划，但是他们正在研究用于汽车刹车器等压力传感器上。压力传感器是通过金属的应变量来进行工作的。科学家介绍，与原来使用的材料相比，使用金属玻璃可以将灵敏度提高3.8倍。将来，一旦燃料电池汽车普及，它将成为不可或缺的元件。因为在燃料电池汽车中，为了检测氢气或空气的压力，耐用性强、灵敏度高的压力传感器将必不可少。金属玻璃还将在纳米领域内大显威力。金属玻璃能够像玻璃那样自由变形加工。过去人们把熔融的结晶金属浇铸到模子里，也能制造出与模子形状一样的产品。但是结晶金属在冷却凝聚成结晶时，因有结晶的错位等缺陷，如果在显微镜下观察，表面会呈现凹凸不平的状态。为此，从纳米尺度来看，我们是无法正确复制这个产品的。如果我们把金属玻璃照旧以过冷却液体浇铸到模子里凝固。就能够精确地复制产品。金属玻璃能够正确复制100纳米宽的沟槽，结晶金属是无法达到的。另外以照片为基础通过激光加工造型，将照片复制在金属玻璃表面也是可能的。迄今为止能够自由加工的是塑料等高分子材料。现在，金属玻璃除了与塑料一样可自由地加工外，强度还高，这无疑将使它成为代替塑料的材料。科学家们正在抓紧时间利用金属玻璃研制出更小的马达。例如小型的相机或内检镜，以及微型机器人等的驱动马达等。其中有一种“血管疏通器”，是安装在导管前的旋翼叶片，就是用金属玻璃制造的微型马达驱动，它可以除掉堵塞血管的血栓等。金属玻璃还是一种优异的磁性材料，具有高饱和磁感应、低铁损等优点。如果用金属玻璃来制造收录机的磁头，可以避免磁头尖部的脱落现象，降低磁头与磁带摩擦发出的噪声，这将会给人们带来优美清晰的音质和理想的音响效果。另外，如果用金属玻璃来代替变压器中的硅钢片，可使变压器的空载损耗减少三分之二。照此推算，如果全中国家庭的变压器都采用金属玻璃铁芯，那么，每年全国可节约100亿千瓦时电能，约合50亿人民币。目前他们研究出来的这代金属玻璃，以50的铁，加上钼、钇、锰、碳、硼、铬和钴等化学元素，混合而成。其突破在于：首先是在技术上，合金的玻璃形成能力大为增强。与过去相比，钇的加入使材料形成非晶态能力大大增强，合金材料的冷却速度放慢了许多；其次，合成材料用的铁等其他元素都比较便宜，所以成本较低；三是产品的尺寸比过去大，过去金属玻璃棒直径只能以毫米计算，现在可以达到12厘米。更主要的是，通过他们对此种非晶态合金形成机理的详细研究，人们对此类材料的制备、形成能力以及所涉及的凝固过程都有了进一步的认识。现在实际制造出来的金属玻璃有1000种左右。但是如果合理组合各种金属元素，理论上可能有1万种以上的金属玻璃。由此看来，用金属玻璃开启的新金属文明前景灿烂。参考文献：李兵. 新型钢材“金属玻璃”J. 金属世界, 2007,(03) . 美君. 金属玻璃J. 建材发展导向, 2009,(01) . 启明 ,金延. 金属玻璃的开发和应用J. 金属功能材料, 2005,(03) .