1.1.5新型金属材料

1.金属玻璃

说起金属的特点，跃人我们脑海的首先是坚硬、不透明，有时会生锈，甚至有时会断裂，而谈到玻璃，给人的感觉是易破碎、透明。大家也知道金属是晶体，玻璃是典型的非晶体，它们的原子排列方式如图1-26所示。金属玻璃，听上去就像是一个不可思议的东西，但是金属和玻璃这两种看似完全风马牛不相及的材料，却被科学家们神奇地联系在了一起。那么，又是什么手段使金属变成“玻璃”的呢?

1960年美国科学家皮·杜威等首先发现金硅合金等液态贵金属合金在冷却速度非常快的情况下，金属原子来不及按它的常规方式结晶，在它还处于17

第1章属材展与人类文化

不整齐、杂乱无章的状态时就被“冻结”了，成为非晶态金属。这些非晶态金属具有类似玻璃的某些结构特征，故称为金属玻璃(见图1-27)。

a) b)

图1-26金属与玻璃的原子排列方式

a)金属晶体b)玻璃非晶体

金属和玻璃的****差别是: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的转变是连续变动的，没有明确的分界线，即没有固定的凝固点。

用锤子砸晶体金属，它将吸收晶粒周围释放的能量。但是非晶态金属中的原子由于紧紧地

“挤”在一起，在受到敲打时很易回复到原状， 图1-27 金属玻璃

而且这种金属玻璃像液体一样的结构意味着它们

的熔化温度很低，能够像塑料一样容易被加工成想要的形状。

那么这种金属玻璃有何特点呢?科学家们创造出来的这种匪夷所思的新材料又有何用处呢?

从青铜时代开始，人类在使用金属的几千年漫长的岁月中所见到的金属几乎都是晶体，它们均具有排列整齐的原子结构。金属晶体排列有缺陷的地方在一定的外力作用下常常会断裂，也就是我们通常所说的材料失效。其原因是连接两个晶粒的能量低于凝聚一个晶粒的能量，于是两个晶粒之间的间隙就形成了一个脆弱区，断裂和腐蚀就很容易从这里发生。这也正是材料的弱点所在，即一旦受到过大的外力，首先承受不了的就是晶粒结合部。而金属玻璃的原子排列是无序的，它没有特殊的薄弱环节，因此金属玻璃的强度比一般金属材料高得多，****可达3500MPa。更难能可贵的是，在其有如此高强度的同时，这12 金属材料常识普及读本第2版

种材料还保持难以令人想象的韧性和塑性。所以，人们赞扬金属玻璃为“敲不

碎，砸不烂的玻璃之王”。

另外，由于金属玻璃没有金属那样的晶粒边界，腐蚀剂无空子可钻，所以从根本上解决了金属晶界的腐蚀问题。金属玻璃的耐蚀性特别好，尤其是在氧化物和硫酸盐中的耐蚀性大大超过了现在广泛应用的不锈钢(它的耐蚀性甚至

超过不锈钢100多倍)，被人们誉为“超不锈钢”。

金属玻璃还具有很好的超导性和抗核辐射等难得的优良性能。单晶硅太阳能电池价格昂贵，如果将其用非晶硅(即硅金属玻璃)太阳能电池来代替，其价格就便宜多了，太阳能电池也就能更好地推广和普及了。非晶硅太阳能电池薄膜如图1-28所示。

航空航天技术中应用最多的是复合材

料。复合材料是现代科学研究的热点。用金 图1-28非晶硅太阳能电池薄膜

属玻璃代替硼纤维和碳纤维制造复合材料，

会进一步提高复合材料的适应性。硼纤维和碳纤维复合材料的安装孔附近易产生裂纹，而金属玻璃在具有很高强度的情况下，仍保持金属塑性变形的能力因此有利于阻止裂纹的产生和扩展。

用金属玻璃制作的美丽水果盘的造价却是一个天文数字。制造金属玻璃的关键是要以极高的冷却速度，即在0.001s的时间内把熔化的金属材料冷却为固体(这样的冷却速度等于在1s内把温度突然降低100万℃)，因为只有达到这样的冷却速度，熔化的合金液体才来不及调整为晶体结构，突然被凝固成毫无秩序的固态。这个1x10'℃/s的冷却速度，目前是现代科学研究的重点。

2011年，美国耶鲁大学材料科学家简·施罗斯带领的一支研究小组发现块状金属玻璃能够随意排列原子，而不是像普通金属中的原子那样是有序的晶体结构，并且该合金材料能够像塑料一样随意地吹塑成普通金属无法实现的复杂外形且不失去金属的硬度和坚固度。这个发现使得人们对金属玻璃的认识又进了一步。

2.属橡胶

金属橡胶的出现是材料学上的一次革命，它为人类带来了新的曙光。有了这种既具备金属的特性又有橡胶伸缩自如特点的新材料，未来的飞机就可以拥有像鸟儿一样能根据需要改变形状的翅膀，使得飞行不仅更经济，而且更有效，更安全。13

第1章金属材料的发展程与人类文化

金属橡胶构件既具有金属的固有特性，又具有类似于橡胶一样的弹性，是天然橡胶的模拟制品。它在外力的作用下尺寸可以增大2~3倍，外力卸除后便可回复原状。这种材料在变形时仍能够保持其金属特征，具有毛细疏松结构，特别适合在高温、低温、大温差、高压、高真空、强辐射、剧烈振动及强腐蚀等环境下工作。

金属橡胶还可以作为减振材料和密封材料。它是以金属丝为原材料经过特殊工艺成形的构件，可以像普通橡胶那样，振动时吸收大量的能量，加入不同的金属还可以耐腐蚀且不易老化，是传统橡胶的****替代品。金属橡胶垫如图1-29所示。

图1-29金属橡胶垫

金属橡胶技术已广泛应用于国内外工业生产，特别是在减振、密封、吸声降噪等领域应用前景广阔。

金属橡胶内部由金属丝相互嵌合而成，在受到来自外部的振动冲击时，金属丝之间将会发生滑移，由此产生的摩擦力可以耗散振动或冲击能量。图1-30所示的用金属橡胶制成的履带既可以翻山涉水，又没有太大的振动。