奇妙的非晶態金屬

駱昌芹

由于科學技術發展的需要，材料科學已引起人們的極大關注。目前，材料科學理論上開創了一個新的研究領域，并使非晶態材料由實驗室走向應用的廣闊天地。

非晶態金屬為何物

金屬從來都是晶態的，現在又出現了非晶態金屬，這就理所當然地引起人們的重視。什么是非晶態金屬呢?要講清這個問題，最好先說明什么是晶態金屬。

所謂晶態金屬，就是原子之間的排列是整齊的。相反，非晶態金屬的原子排列是不整齊的，雜亂無章的。這是它們本質的不同?？茖W家在研究客觀世界的時候，總希望迫本求源，探其本質。因為他們認識到，只有本質的變化才能把科學帶人一個新境地。人類的物質文明正是人類不斷地打開一個個新的領域而使世界絢麗多彩的。

非晶態金屬有何用

我們知道，日常使用的金屬材料總是在它的原子排列有缺陷的地方被拉斷，而這種缺陷對晶態材料來說是難以避免的。所以，晶態金屬材料中存在的缺陷在某些場合就像定時炸彈一樣危險。

例如，美國的克利夫蘭曾發生一次嚴重的液態天然氣貯罐破裂事故，造成100多人死亡，損失幾百萬美元。又如，1943年冬，比利時剛建成不久的跨度75.4米的哈塞爾特大橋突然發出巨大開裂聲，六分鐘后整個大橋斷成三截。好端端的罐、橋為什么忽然壞了呢?究其原因就是，晶態合金中存在著缺陷。它給人類財富所造成了很大的損失。

非晶態材料的原子排列是混亂的，所以它也就沒有什么特殊的薄弱環節。正是由于這種原因，非晶態金屬材料的斷裂強度比晶態合金高得多。例如，鐵一硼非晶態合金的斷裂強度為320公斤/毫米²，而高碳鋼的斷裂強度還不到100公斤/毫米²。

金屬材料腐蝕現象很常見。酸常常是從金屬表面的晶粒邊界這個“缺口”攻入金屬將其腐蝕的。這方面的事故也不少。

例如，上世紀50年代末，美國第一艘核潛艇的動力裝置發生漏泄，影響了核潛艇的正常工作。檢查發現，這是由于不銹鋼熱交換器中的水含有微量氯離子，在晶態合金晶粒與晶粒之間的邊界造成腐蝕而發生的。1972年，英國的一臺叫做達姆海峽的水冷反應堆，其蒸汽發生器的14根管子發生事故，也是由于晶粒邊界腐蝕造成的。

從本質上講，腐蝕這一現象是晶態金屬材料天生的缺點，是不可避免的。它給人類帶來的損失和危害是巨大的。據報道，上個世紀70年代初，美、蘇兩國因設備腐蝕而損失的鋼鐵，每年達4000萬噸。英國由于金屬腐蝕，每90秒鐘就要損失一噸鋼材。其損失之大，真是觸目驚心。

非晶態金屬材料的原子排列是雜亂無章的，沒有晶粒邊界，使腐蝕劑無隙可乘，這就從根本上解決了腐蝕問題。例如，有的不銹鋼在6％濃度的三氯化鐵溶液中，每年以18毫米的速度被腐蝕，而非晶態合金在同樣的情況下一點也不被腐蝕?？梢韵胍?，如果非晶態材料的研究已經在生產實踐中達到了完善的程度，完全解決了腐蝕問題，那無疑給人類增加了巨大的財富。

非晶態金屬的奇異性能，還把它引進超導材料的行列里。金屬是導電體，導體中有電阻。電流在有電阻的導線中流過，就會損失一部分能量。如果有一種物質，它的電阻趨近于零，那么，只要用很小的電壓就能獲得很大的電流，而且這個電流由于在沒有電阻的導體中運動，就沒有能量損耗，電流也就永流不止。這就是超導現象。

目前，有些物質處于極低溫度時，有電阻趨于零的現象發生。我們把物質開始發生超導現象的溫度叫做超導轉變溫度。就超導這個課題的研究情況來看，“極低溫度”是超導材料發展的最大困難之一。要想獲得極低溫，無論在設備上還是在技術上都是極其困難的，所以科學家都在為提高超導體盼使用溫度而努力工作。不要說把超導體提高到室溫下使用，就是稍微提高一點，也是對超導材料發展的貢獻。

現在，非晶態材料的出現為解決這個難題提供了有利條件。例如，金屬鎵處于晶態時的超導轉變溫度為1.9K；而它變成非晶態時，超導轉變溫度一下子提離到8.4K。這是一個了不起的研究成果，它預示著人類在認識自然方面又前進了一步。

在能源日益減少的情況下，如何開發利用能源已是各國普遍關心的問題。非晶態材料的出現，也為開發利用能源助一臂之力。

參觀過科學儀器展覽的人，往往會看到在一臺半導體收音機旁放著兩件東西，一件是單晶硅光電池，另一件是臺燈。

單晶硅光電池與半導體收音機相連。當臺燈打開，燈泡一亮，半導體收音機就響了。臺燈一關，聲音就沒有了。這是為什么呢?這是由于光線是能量，這種能量叫做光能，它照在單晶硅光電池上，光電池就把光能轉變成電能，提供給收音機使用。

在人造衛星上都有兩三個“翅膀”，那就是單晶硅光電池組合板，它可以將太陽能變成電能，供衛星使用。這種產生電能的簡單辦法，為什么不能推而廣之呢?主要是由于單晶硅太陽電池價格昂貴。如果將硅制成非晶硅，它也能將光能轉變成電能，那價格就便宜多了，適于民用。另外，它不像單品硅那樣是一小塊一小塊的，可以制成大面積的非晶硅。這在處處感到能源不足的今天，是個值得重視的課題。

非晶態金屬如何產生

由晶態合金變成非晶態合金，其制作方法是，將熔融的合金通過一個噴嘴，噴到高速旋轉的光滑銅質輥面上，速冷而成。根據要求，它的冷卻速度必須大于1×1000000℃/秒，即每秒一百萬度的冷卻速度，才能獲得非晶態材料。

這樣大得驚人的冷卻速度，談何容易?而且在這么快的冷卻速度下，所獲得的非晶態合金是很薄的。很薄的非晶態合金在應用范圍上就會受到限制。另外，在急劇冷卻條件下形成的材料，往往處于一種亞穩定狀態，不宜在高溫下使用。這些問題都需要科學家繼續研究解決，使它變為一種真正嶄新的材料。