材料科學(xué)導(dǎo)論-神奇的金屬玻璃.doc

材料科學(xué)導(dǎo)論課程論文神奇的金屬玻璃學(xué)號(hào)：C40814078姓名：石臺(tái)專業(yè)：化學(xué)工程與工藝神奇的金屬玻璃在好萊塢電影終結(jié)者中，由金屬制成的變形機(jī)器人T一3以刀能隨意變換成各種形狀，甚至可以從門下的小縫隙中飛走。現(xiàn)在對(duì)于人類來說，這將不再是科幻片中的幻想。一種新型的“終結(jié)者”材料面世，這就是“金屬玻璃”。 定義：金屬玻璃是一種特殊的合金材料。通常金屬原子都是有序排列的晶體結(jié)構(gòu),而在金屬玻璃中,原子的排列如同液體或者玻璃一樣雜亂無章。雖然從嚴(yán)格意義上來說,金屬玻璃并不是液體,但是由于它沒有固定的外形,可以像液體一樣隨意流動(dòng),所以人們喜歡形象地稱之為“液態(tài)金屬”。結(jié)構(gòu)與機(jī)理：要了解“金屬玻璃”，首先得了解什么是金屬，什么是玻璃以及兩者的差別。金屬在從液態(tài)冷卻凝固的過程中有確定的凝固點(diǎn)，原子按一定的規(guī)律排列，形成晶體；而玻璃從液態(tài)到固態(tài)是連續(xù)變動(dòng)的，沒有明確的分界線，即沒有固定凝固點(diǎn)。因此，金屬是一種典型的晶體材料，它的許多特性是由其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)決定的；而玻璃卻是一種非晶體材料，固態(tài)玻璃和液態(tài)玻璃內(nèi)部原子呈無序排列。 大部分的金屬在冷卻時(shí)都會(huì)結(jié)晶，把它們的原子排列成有規(guī)則的圖案，叫做格構(gòu) (lattice)。但如果結(jié)晶不出現(xiàn)，原子便會(huì)隨機(jī)排列(random arrangement)，成為金屬玻璃 (metallic glass)。金屬玻璃的特點(diǎn)：新型金屬玻璃最主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)是具有很高的強(qiáng)度、硬度、彈性、剛性，它可以經(jīng)受180彎曲而不斷裂，是鋼的5倍。具有迄今為止金屬所沒有的各種特性?？傊?，與結(jié)晶金屬相比，金屬玻璃沒有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，原子在一點(diǎn)點(diǎn)的間隙中有活動(dòng)余地，因此它比普通金屬的彎曲性、復(fù)原性更好?？茖W(xué)家還發(fā)現(xiàn)金屬玻璃比結(jié)晶金屬的彈性極限提高了3倍。另外，在耐腐蝕性上，由于結(jié)晶金屬存在“缺陷”，容易給腐蝕的發(fā)生提供縫隙，而金屬玻璃的表面整齊致密，不給腐蝕提供任何機(jī)會(huì)，所以其耐腐蝕性更強(qiáng)。如果再使用一種以上的耐腐金屬作為金屬玻璃的成分，那么這種金屬玻璃的耐腐蝕性就會(huì)大大加強(qiáng)。因此金屬玻璃被人們贊為“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王” 金屬玻璃的特性及用途：首先，金屬玻璃具有優(yōu)良的機(jī)械性能，是一種理想的補(bǔ)強(qiáng)材料和耐磨材料。例如，有一種鐵磷碳金屬玻璃，其韌性是鋼的5倍，是鋁合金的10倍。因此，金屬玻璃最適合用來制造輪胎簾子線、復(fù)合增強(qiáng)彈簧和各種經(jīng)久耐用的刀具等。其次，金屬玻璃具有優(yōu)良的磁學(xué)性能，如磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率高，熱穩(wěn)定性好，同時(shí)還具有較高的耐磨性，適宜用作磁性材料，如鐵芯、磁頭、電極、磁盤等。用含有鉻和磷的金屬玻璃來制造鐵芯，不僅使用過程中由于發(fā)熱而消耗的電能只有硅鋼片鐵芯的l/4，可以節(jié)約大量的電能，而且制備及處理的工藝簡單多了。用金屬玻璃制成的磁頭不易磨損，使用壽命長。再次，金屬玻璃具有極好的耐腐蝕性，是一種理想的耐腐蝕性材料例如，不銹鋼在溫度為40，濃度為10的二氯化鐵浩液中，每年表層被腐蝕掉18毫米，而含鉻、磷的金屬玻璃在同樣情況下，竟“固若金湯”，腐蝕速度接近于零。其抗腐蝕能力是不銹鋼的100萬倍，可以說是永不生銹的材料。因而，金屬玻璃合金特別適合用來制造耐酸堿的化工部件和抗海水腐蝕部件。還有，金屬玻璃還具有極高的強(qiáng)度：目前，鐵系金屬玻璃的屈服強(qiáng)度約為4000兆帕，鎳系和鉆系金屬玻璃的屈服強(qiáng)度為3000兆帕，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了同類的晶態(tài)合金的強(qiáng)度。另外，金屬玻璃可以用來制造許多重要設(shè)備的器件，如飛船和火箭的外殼、高壓容器以及海底電纜等。【下列圖為其應(yīng)用實(shí)例】： 目前國內(nèi)國外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域：目前科學(xué)家研制的金屬玻璃，強(qiáng)度是工業(yè)用鋼鐵的3倍，柔韌性是鋼鐵的10倍。美國利用金屬玻璃出色的彈性進(jìn)行防彈車身和戰(zhàn)艦的研制。日本考慮到這種材料的成本昂貴，目前還沒考慮用于普通轎車的計(jì)劃，但是他們正在研究用于汽車剎車器等壓力傳感器上。壓力傳感器是通過金屬的應(yīng)變量來進(jìn)行工作的?？茖W(xué)家介紹，與原來使用的材料相比，使用金屬玻璃可以將靈敏度提高3.8倍。將來，一旦燃料電池汽車普及，它將成為不可或缺的元件。因?yàn)樵谌剂想姵仄囍校瑸榱藱z測氫氣或空氣的壓力，耐用性強(qiáng)、靈敏度高的壓力傳感器將必不可少。金屬玻璃還將在納米領(lǐng)域內(nèi)大顯威力。金屬玻璃能夠像玻璃那樣自由變形加工。過去人們把熔融的結(jié)晶金屬澆鑄到模子里，也能制造出與模子形狀一樣的產(chǎn)品。但是結(jié)晶金屬在冷卻凝聚成結(jié)晶時(shí)，因有結(jié)晶的錯(cuò)位等缺陷，如果在顯微鏡下觀察，表面會(huì)呈現(xiàn)凹凸不平的狀態(tài)。為此，從納米尺度來看，我們是無法正確復(fù)制這個(gè)產(chǎn)品的。如果我們把金屬玻璃照舊以過冷卻液體澆鑄到模子里凝固。就能夠精確地復(fù)制產(chǎn)品。金屬玻璃能夠正確復(fù)制100納米寬的溝槽，結(jié)晶金屬是無法達(dá)到的。另外以照片為基礎(chǔ)通過激光加工造型，將照片復(fù)制在金屬玻璃表面也是可能的。迄今為止能夠自由加工的是塑料等高分子材料?，F(xiàn)在，金屬玻璃除了與塑料一樣可自由地加工外，強(qiáng)度還高，這無疑將使它成為代替塑料的材料?？茖W(xué)家們正在抓緊時(shí)間利用金屬玻璃研制出更小的馬達(dá)。例如小型的相機(jī)或內(nèi)檢鏡，以及微型機(jī)器人等的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等。其中有一種“血管疏通器”，是安裝在導(dǎo)管前的旋翼葉片，就是用金屬玻璃制造的微型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，它可以除掉堵塞血管的血栓等。金屬玻璃還是一種優(yōu)異的磁性材料，具有高飽和磁感應(yīng)、低鐵損等優(yōu)點(diǎn)。如果用金屬玻璃來制造收錄機(jī)的磁頭，可以避免磁頭尖部的脫落現(xiàn)象，降低磁頭與磁帶摩擦發(fā)出的噪聲，這將會(huì)給人們帶來優(yōu)美清晰的音質(zhì)和理想的音響效果。另外，如果用金屬玻璃來代替變壓器中的硅鋼片，可使變壓器的空載損耗減少三分之二。照此推算，如果全中國家庭的變壓器都采用金屬玻璃鐵芯，那么，每年全國可節(jié)約100億千瓦時(shí)電能，約合50億人民幣。目前他們研究出來的這代金屬玻璃，以50的鐵，加上鉬、釔、錳、碳、硼、鉻和鈷等化學(xué)元素，混合而成。其突破在于：首先是在技術(shù)上，合金的玻璃形成能力大為增強(qiáng)。與過去相比，釔的加入使材料形成非晶態(tài)能力大大增強(qiáng)，合金材料的冷卻速度放慢了許多；其次，合成材料用的鐵等其他元素都比較便宜，所以成本較低；三是產(chǎn)品的尺寸比過去大，過去金屬玻璃棒直徑只能以毫米計(jì)算，現(xiàn)在可以達(dá)到12厘米。更主要的是，通過他們對(duì)此種非晶態(tài)合金形成機(jī)理的詳細(xì)研究，人們對(duì)此類材料的制備、形成能力以及所涉及的凝固過程都有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)在實(shí)際制造出來的金屬玻璃有1000種左右。但是如果合理組合各種金屬元素，理論上可能有1萬種以上的金屬玻璃。由此看來，用金屬玻璃開啟的新金屬文明前景燦爛。參考文獻(xiàn)：李兵. 新型鋼材“金屬玻璃”J. 金屬世界, 2007,(03) . 美君. 金屬玻璃J. 建材發(fā)展導(dǎo)向, 2009,(01) . 啟明 ,金延. 金屬玻璃的開發(fā)和應(yīng)用J. 金屬功能材料, 2005,(03) .