勝過金屬的金屬玻璃

王殿華

一說到玻璃，大多數人立刻就會想到玻璃窗、玻璃板、玻璃器皿。的確，到目前為止，玻璃的最主要用途仍在上面這些方面。隨著生產技術的發展和玻璃品種的增加，玻璃的用途也越來越廣。

玻璃緣起

3000多年前，一艘歐洲腓尼基人的商船，滿載著晶體礦物“天然蘇打”，航行在地中海沿岸的貝魯斯河上。由于海水落潮，商船擱淺了。于是船員們來到岸上，燒火做飯。做飯時他們用天然蘇打來做鍋的支架。吃完飯后，有船員突然發現鍋下面的沙地上有一些晶瑩明亮、閃閃發光的東西，船員們把這些閃著光的東西帶到船上仔細研究起來。他們發現，這些亮晶晶的東西上沾有一些石英砂和融化的天然蘇打。原來，這些閃光的東西就是他們做飯時用來做鍋的支架的天然蘇打，在火焰的作用下，天然蘇打與沙灘上的石英砂發生化學反應，進而生成了這種晶體，它就是最早的人工玻璃。后來腓尼基人把石英砂和天然蘇打混合在一起，在一種特制的爐子中熔化后制成玻璃球去賣，腓尼基人因此發了一筆橫財。大約在4世紀，羅馬人開始把玻璃應用在門窗上。1291年，意大利的玻璃制造技術已經非常發達。1688年，一名叫納夫的人發明出制作大塊玻璃的工藝，從此，玻璃成了我們生活中非常平常的物品。

其實早在公元前約4000年，埃及人就已經能夠制造出被稱為費昂斯(fa-ience)的原始玻璃了，它具有不同于后期真正玻璃的晶粒結構。費昂斯制品曾長期流行于西亞及地中海一帶，其后被真正的玻璃替代。我國古代也曾制造出無色或半透明的玻璃，人稱琉璃。琉璃也屬于費昂斯。相傳琉璃是公元前493年范蠡督造王者之劍時所發現的。這種神奇的物質被稱為“蠡”。之后范蠡遍訪能工巧匠，將“蠡”打造成一件精美的首飾，作為定情之物送給西施。琉璃是中國傳統建筑中的重要裝飾構件，通常用于宮殿、廟宇、陵寢等重要建筑。琉璃的主要成分為二氧化硅。但與西方水晶玻璃的始祖

“費昂斯”的二氧化硅含量(92％～99％)相比，中國古代琉璃中的二氧化硅比例略低。

自然界中也存在玻璃，它是由火山噴出的酸性巖凝固而得。人工制造的玻璃則是以石英砂、純堿、長石和石灰石等為主要原料，經熔融、成型、冷卻固化而成的非結晶無機材料。普通玻璃在熔融時會形成連續網絡結構

，冷卻過程中材料黏度逐漸增大并硬化，成為不結晶的硅酸鹽類非金屬材料。它具有一般材料難以具備的透明性，具有優良的機械力學性能和熱工性質。

玻璃態

固態物質一般分為晶體和非晶體，構成晶體的原子(或離子或分子)具有一定的空間結構(即晶格)，晶體具有一定的晶體形狀和固定熔點，并不具有各向同性(材料在各個方向上的力學性能和物理性能指標都相同)。而玻璃是一種非晶體，具有無定型固體狀態(固體內部原子或分子的排列沒有周期性和規則性，如同液體那樣雜亂無章地分布)，這種結構被稱為玻璃態(glassy stale)。

玻璃態是固態物質的特殊結構。有同樣結構的固體其實還有很多，大多數高分子聚合物也都屬于玻璃態物質，如松香、石蠟、瀝青、橡膠等都是非晶態固體。它們共同的結構特征是內部原子或分子的排列呈現雜亂無章的高度無序分布狀態。玻璃態也可以看成是保持液體結構的固體，是常壓下低于O~C而不結冰的水，本質上來說它仍屬于液態，但流動性比起普通的液態水要弱很多，這時的水其實就是過冷液體，介于液態與固態之間，也可以稱其為玻璃態的水。玻璃態物質沒有固定的形狀和固定熔點，具有各向同性。它們隨著溫度的升高逐漸變軟，最后才熔化，變軟后可以被加工成各種形狀。玻璃態物質在熔融狀態下具有很高的黏度，形成無序的三維網絡結構

，在溫度降低時，容易處于過冷狀態，使其無序態得以在固相中保持。

玻璃表面看上去是固體，實際上是具有固體狀態的液體，這是科學家經過50多年來不斷探索才認識到的。英國、澳大利亞及日本的科學家聯合研究發現，玻璃無法成為固體的原因在于玻璃冷卻時所形成的特殊的原子結構。英國布里斯托爾大學的帕特里克·羅亞爾說：“一些材料在冷卻時會形成結晶，其原子會以高度規則的模式進行排列，稱為‘晶格。不過玻璃在冷卻時，原子擁堵在一起，幾乎隨機排列，妨礙了規則晶格的形成。”這種無規則結構的非結晶狀態就是玻璃態，發現玻璃態對理解亞穩態材料(熱力學上處于次一級穩定狀態的一大類材料，是國際上材料科學的熱點研究領域。亞穩態材料的某些性能有時要高于穩態材料)來說是個重大的突破，它將使進一步開發金屬玻璃等新材料成為可能。另外，如果能夠通過操作使金屬在冷卻時形成玻璃—樣的內部結構，將大大減少金屬內部的缺陷。

玻璃之王

科學家發現，在一定的條件下，金屬也能做成玻璃，這種金屬做的玻璃被稱為金屬玻璃、玻璃態金屬或非晶態合金。1959年，美國加利福尼亞理工學院杜威茲教授等人用制備玻璃的方法，將高溫金一硅合金熔體噴射到高速旋轉的銅輥上，以每秒100萬攝氏度的冷卻速度快速冷卻熔體，第一次制備出了不透亮的玻璃。當時的一位物理學家看到這種合金材料時，曾嘲諷地說這是一種“愚蠢的合金”。這種不透亮、看起來“愚蠢的”東西，就是在材料科學領域開辟出一條新道路的金屬玻璃。

通常情況下，金屬及合金在從液體凝固成固體時，原子總是從液體的混亂排列轉變成整齊的排列，即成為晶體。但是，如果金屬或合金的凝固速度非常快，原子來不及排列整齊便被凍結住了，最終的原子排列方式類似于液體，是混亂的，這就是非晶合金。因為非晶合金原子的混亂排列情況類似于玻璃，所以又被稱為金屬玻璃。金屬玻璃兼有金屬和玻璃的優點，又克服了各自的弊病。它具有一定的韌性和剛性，強度高于鋼，硬度超過高硬工具鋼，斷裂強度也比—般的金屬材料高得多，有良好的化學穩定性。有些還有良好的磁學性質，可用于制造高壓容器、火箭等關鍵部位的零部件、機械振蕩器、電流脈沖變壓器、磁泡器件等。非晶態軟磁材料則可以用來制造錄音機、錄像機的磁頭、磁帶。

從理論上說，任何物質只要它的液體冷卻速度足夠快，原子來不及整齊排列就凝固，那么原子在液態時的混亂排列被迅速凍結，就可以形成非晶態。但是，不同的物質形成非晶態所需要的冷卻速度大不相同。例如，普通的玻璃液體只要慢慢冷卻下來，得到的玻璃就是非晶態的。單一的金屬則需要每秒高達1億攝氏度以上的冷卻速度才能形成非晶態。由于目前工藝水平的限制，實際生產中難以達到如此高的冷卻速度，也就是說，單一的金屬難以在生產上被制成非晶態。為了獲得非晶態的金屬，人們一般將金屬與其他物質混合形成合金。這些合金具有兩個重要性質：第一，合金的熔點遠低于純金屬，例如純鐵的熔點為1538℃，而鐵硅硼合金的熔點—般在1200℃以下；第二，液體狀態的合金原子更加難以移動，在冷卻時更加難以整齊排列，也就是說更容易被“凍結”成非晶體。例如，鐵硼合金只需要每秒100萬攝氏度的冷卻速度就可以形成非晶態。

玻璃態金屬有很多優點以及獨特的功用，如：高強韌性、優良的磁性、簡單的制造工藝等，人們贊揚它是“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”。美國、歐洲等國家和地區的研究人員稱之為“21世紀的材料”。我們在日常生活中接觸的非晶態材料很多，如采用非晶態合金制備的高耐磨音頻視頻磁頭在高檔錄音機、錄像機中被廣泛應用，采用非晶態合金的高爾夫球桿、釣魚桿也已經面世。迄今為止，國內外非晶合金開發最多的是作為軟磁材料的一類。它們是由鐵磁性元素(鐵、鉆、鎳或者它們的組合)和類金屬元素(硅、硼、碳，也叫做玻璃化元素)等組成的。非晶態軟磁材料在圖書館或超市中被做成條帶夾在書籍或者商品中，也可以做成商品標簽。如果尚未付款，貨品就被帶出，則在出口處的檢測裝置會發出報警信號。非晶合金還被大量應用在電力系統。

航天方面，現在衛星收集太陽能維持運轉的伸展機構大多使用的是高分子有機材料，存在易揮發和易老化的問題，會給整個系統運轉造成障礙，因此，耐腐蝕、抗撞擊、耐冷熱的金屬玻璃有可能在未來成為理想的候選材料。

軍事方面，由于其優異的力學性能，金屬玻璃可用來制造反坦克的動能穿甲彈。金屬玻璃和鎢復合制成的穿甲彈頭，密度高、強度大、穿甲性能好，具有自銳效應，也具有貧鈾彈頭的高絕熱剪切敏感性，有望取代對人類健康和環境造成嚴重危害的貧鈾彈。

超強金屬玻璃

據美國《連線》雜志報道，不久前，美國加利福尼亞理工學院以最新方法制造出一種“金屬玻璃”材料，該材料的硬度和彈性是鈦的兩倍，用它制造的3毫米直徑合成金屬棒能夠支撐一輛2噸重的卡車，金屬棒僅僅出現輕度彎曲，而不像其他金屬棒被折斷。這種金屬材料可用于航天和汽車制造行業，也可以用于電子制造業，使用該材料制造的宇宙飛船和汽車將非常輕。該材料的超強硬度來自于其玻璃態的無序原子結構。

金屬玻璃的出現，讓科學家隱約看到了第三次材料工業革命的曙光。隨著金屬玻璃的發展及其在民用領域的應用，我們的生活將有更多的選擇及便利。

【責任編輯】趙菲