首先，我們聊一聊什么是晶體、什么是非晶。簡單來說，評判晶體非晶體的標準是微觀組成粒子的排列是否具有長程有序和平移對稱性。如果有，如圖1（a）,則是晶體，反之，則如圖1（b）非晶。

       當然，解決晶體、非晶體的問題還遠遠不夠。因為要談非晶合金，我們還會遇到非晶體、玻璃、非晶合金、金屬玻璃、氧化物玻璃、高分子玻璃、液態(tài)金屬……

      他們之間有區(qū)別也有聯(lián)系。在區(qū)分他們之前，先要介紹一下非晶的制備原理。

   “玻璃”一般是特指熔體快速冷卻得到的非晶體（換句話說，得到非晶體的方法可不止一種哦！還有氣相沉積、機械合金化、激光制備等等）。這里所說的玻璃可千萬不要和窗戶玻璃對等哦，它的含義可比我們?nèi)粘Ｉ钪锌吹降拇皯舨ＡЭ梢獜V多了。而金屬玻璃，則是由合金熔體經(jīng)過快速冷卻的方式制備得來，一類特殊的玻璃。他們的內(nèi)涵在一步步的縮小，可以用下面這個示意圖來表示：

     當然，非晶合金它有很多名字，比較常見的名字有三個：非晶合金、金屬玻璃、液態(tài)金屬。嚴格起來，這三個名字還是有一些不同的哦。

      前面說到，玻璃是非晶的一種，那么金屬玻璃就是非晶合金的一種（誰叫非晶的涵義比玻璃廣呢）。

     最容易讓人誤解的應(yīng)該是液態(tài)金屬這個名字。這里所指的液態(tài)，不是指宏觀形態(tài)上是液態(tài)的。當金屬被熔融之后，喪失了長程有序、平移對稱性，成為了非晶體。當對液體狀金屬進行急冷，那這種非晶態(tài)就被保留下來了。從宏觀上，合金是固體形狀，但微觀上還是保留了液態(tài)的結(jié)構(gòu)特征，所以，形象地稱之為液態(tài)金屬。

     不過要注意的是，像Hg、Ga之類的低熔點金屬，也被稱之為液態(tài)金屬。他們說的液態(tài)，是指宏觀形狀是液體的金屬。這一類的液態(tài)金屬比較符合大眾認知。

      如果繼續(xù)細分開來，液態(tài)金屬和金屬玻璃也是兩個不同的概念。玻璃的凝固過程中需要經(jīng)歷一個過冷液相區(qū)，即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與晶化溫度這一溫度區(qū)間，熔體結(jié)構(gòu)在該溫度范圍內(nèi)被迅速凍結(jié)，形成了最終的玻璃。而液態(tài)金屬則是從液態(tài)結(jié)構(gòu)直接凍結(jié)而來，所以，內(nèi)部原子必然會有細微的區(qū)別。

      說完它的非晶合金的名字，下面再來說說他的體系和制備方法。

      在非晶合金的開發(fā)方面，目前已在包括Pd、Pt、Au、Mg、Ca、Zr、Ti、Hf、Cu、Fe、Co、Ni、和稀土（如La、Nd、Ce）基等在內(nèi)的數(shù)十種合金體系。目前非晶合金一共有非晶薄帶、非晶粉末、塊體非晶這幾種形式，它們的制備方法可以簡單歸納為：

       具體的制備方法就不細談了，我用其他的方式來解讀一下。普通金屬就像一個教室，里邊整整齊齊坐滿了聽課的小朋友。下課鈴響之后，小朋友們紛紛從自己的座位上站起來，在教室里四處游蕩，打鬧的打鬧，聊天的聊天，這個時候的教室就像液體狀的金屬，里邊的原子不再整齊排列。當上課鈴響，同學們迅速回到自己的座位上，這就是液體金屬冷卻后重新恢復(fù)成晶體金屬。但是，這時候沖進來一個奧特曼，大叫一聲“時間停止”！玩鬧的同學們沒法回到自己的位置，所以教室里還是亂糟糟的。這個時候的教室，就是非晶合金。

      非晶合金的性能和用途

     材料冶金中的圣經(jīng)，非《Physical Metallurgy》莫屬，該書最新版本將之前的“METASTABLE STATES OF ALLOYS”一章，進行了改編，內(nèi)容依然由非晶領(lǐng)域的先驅(qū)者，英國劍橋大學教授A. L. Greer執(zhí)筆，但題目已變?yōu)?ldquo;METALLIC GLASSES”（金屬玻璃）。縱觀近五十年的非晶研究歷史，已有已經(jīng)有4 位科學家因從事和非晶相關(guān)的工作而獲得諾貝爾獎，他們是：P. W. Anderson，N. F. Mott，P. J.Flory和高錕。非晶業(yè)內(nèi)把這種新材料的出現(xiàn)，稱之為冶金學和材料學的一次革命。

       且不論是不是革命，非晶合金必然有幾把刷子。

     首先，相比于晶態(tài)材料，非晶合金不存在位錯、層錯、晶界等缺陷，因此，這類合金表現(xiàn)出特殊的力學性能，如極高的斷裂強度和硬度：Ni-Ta基塊體非晶合金的斷裂強度超過3.0 GPa，而Co基的斷裂強度更是高達5185 MPa；某些Fe基的維氏硬度（Hv）可達12.53 GPa。有意思的是，迄今強度最高和最低的金屬材料，竟然都是非晶合金。Co基非晶合金的強度高達到創(chuàng)紀錄的6.0 GPa，最軟的Sr基非晶合金的強度低至300 MPa。看來，非晶合金真是能屈能伸的“真英雄”！

      而且，它的彈性極限遠高于晶態(tài)合金，通常為2%。所以非晶合金的彈跳性非常好！但是，室溫拉伸塑性變形能力的缺乏，限制了它們作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。為提高金屬玻璃的拉伸塑性，學者們也不斷努力。北京科技大學呂昭平教授課題組所開發(fā)具有相變誘導塑性的非晶合金復(fù)合材料將其拉伸塑性提升至7%，這一重大研究發(fā)現(xiàn)為非晶合金作為工程材料應(yīng)用提供了可能，相關(guān)結(jié)果已發(fā)表在《Adv. Mater.》上。

      它比晶態(tài)合金更具有較強的局部耐蝕性能。例如，Zr基非晶合金的耐腐蝕性是不銹鋼的100倍，在Ni-Ta基塊體非晶合金與316L不銹鋼的耐腐性比較中發(fā)現(xiàn)，在1mol/L HCl溶液中，Ni60Ta15Ti20Zr5和Ni48Ta15Ti20Zr5Co7Cu5耐腐蝕性皆優(yōu)于SUS316L不銹鋼。

      非晶合金的應(yīng)用領(lǐng)域

      先介紹介紹非晶合金在我們身邊直觀感受范圍的應(yīng)用。前面提到，非晶合金強度高、硬度高，沒有晶界的限制，而且由于良好的流動性，可以一次成型，開始在3C產(chǎn)品上展露頭角。例如圖靈機器人工業(yè)公司發(fā)布了一款手機，采用的就是非晶合金外框： 

        高抗拉強度、良好延展性、高彈性能、高沖擊斷裂性、高抗腐蝕性、良好的固有低頻振動阻尼的Zr基塊體非晶合金在高爾夫、滑雪、棒球、滑冰、網(wǎng)球拍等體育用品均得到了應(yīng)用。例如網(wǎng)球明星阿加西就曾手持非晶合金框架做的網(wǎng)球拍上過球場。Ebay上這款網(wǎng)球拍好像在600人民幣左右。

      塊體非晶還在軍工方面有較廣的應(yīng)用。非晶合金材料在高速載荷作用下具有非常高的動態(tài)斷裂韌性，在侵徹金屬時具有良好的自銳性，是穿甲彈芯的首選材料之一。國外目前開發(fā)研制的Zr基非晶合金的斷裂韌性可達60Mpa.m1/2，是已發(fā)現(xiàn)的最為優(yōu)異的穿甲彈芯材料。同時利用大塊非晶合金的高硬度特性還可以成為穿甲防護材料，如裝甲，防彈背心等。

       現(xiàn)代社會需要越來越多的微型機械，這些機械不僅在尺寸精度上要求嚴格，其組成零件還需具有高的力學性能，常規(guī)的加工工藝難以保證加工精度。非晶合金在超冷液相區(qū)具有優(yōu)異的塑性變形能力，可以通過粘性流動形成各種復(fù)雜的形狀。

       非晶合金應(yīng)用最多的是軟磁材料方面。與傳統(tǒng)金屬磁性材料相比，鐵基非晶合金高導磁率、低損耗，可替代傳統(tǒng)的硅鋼、坡莫合金以制作變壓器鐵芯、電機鐵芯、電抗器、互感器、傳感器等等。例如使用非晶合金，可以大大提高變壓器效率，降低配電變壓器的鐵損60~70%，同時減小體積和重量。我國30~60%電網(wǎng)損耗來自變壓器損耗，電網(wǎng)損耗降低1%，每年就可以節(jié)電約360 億度。國家電網(wǎng)已經(jīng)明確要求新增的配電變壓器，必須60%以上使用非晶合金鐵心變壓器。

        另外，塊體非晶還在醫(yī)療器械、航空航天已有應(yīng)用。

        可以看看非晶材料學術(shù)委員會的一個總結(jié)性表格：

責任編輯：王元

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