金屬玻璃的性質(zhì)、制備及其在手表行業(yè)中的應(yīng)用

鄔治平，傅偉猛，鐘飛，楊麗

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金屬玻璃的性質(zhì)、制備及其在手表行業(yè)中的應(yīng)用

鄔治平，傅偉猛，鐘飛，楊麗

（依波精品（深圳）有限公司，廣東 深圳 518000）

簡要概述了金屬玻璃的性質(zhì)、制備及其在手表行業(yè)中的應(yīng)用，并對其發(fā)展進(jìn)行了展望。

金屬玻璃；非晶態(tài)合金；液體金屬；金屬元素

金屬玻璃又稱非晶態(tài)合金、液體金屬，是指以金屬元素為主要組成，具有熱力學(xué)非平衡特征和亞穩(wěn)特性、原子堆積結(jié)構(gòu)為長程無序的金屬材料。1960年，P.Duwez團(tuán)隊采用快速凝固方法首次獲得了Au-Si非晶態(tài)合金[1]，之后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了Pd、Mg、Fe、Ti、Co、Zr、Re、Cu、Ca、Ni基等多組元非晶合金體系[2]。金屬玻璃的原子鍵合性質(zhì)以共價鍵性質(zhì)為主，因而與普通金屬相比，其物理性能、化學(xué)性能和機(jī)械性能等都發(fā)生了明顯的變化。這些獨特的性能，使金屬玻璃在智能手機(jī)等消費電子品、汽車產(chǎn)品、醫(yī)療、軍事和航空航天領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景，且部分產(chǎn)品已經(jīng)開始規(guī)模化生產(chǎn)。

1 金屬玻璃的性質(zhì)

材料的性能取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)，金屬玻璃的微觀結(jié)構(gòu)特征可用“無序”概括，金屬玻璃不存在晶態(tài)材料中所謂的“單元結(jié)構(gòu)”，也不具備長程周期平移性，這種特性被稱為金屬玻璃的“結(jié)構(gòu)不均勻性”，該特性對增強金屬玻璃的塑性起到了重要作用。因此，金屬玻璃兼具金屬和玻璃的優(yōu)點，又克服了它們各自的弊病，具有高強度、高硬度、高耐磨性、高耐劃傷性和極強的耐腐蝕性。

1.1 力學(xué)性能

金屬玻璃具有優(yōu)異的力學(xué)性能，比如多數(shù)金屬玻璃具有較高的斷裂韌性、強度、硬度、大彈性模量和彈性應(yīng)變極限等。He[3]等人研發(fā)的鋯基金屬玻璃斷裂韌性可以達(dá)到106 MPa·m1/2；金屬玻璃Cr55Co24Nb7B14的維氏硬度可高達(dá)1 605 HV。這是由于金屬玻璃形成方式特殊，因此，不會產(chǎn)生位錯、滑移、晶界以及成分偏析等微觀缺陷。由于金屬玻璃力學(xué)性能優(yōu)異，其已被應(yīng)用于軍事、體育、通信、汽車、航天等領(lǐng)域，例如，高爾夫球桿擊球頭、手機(jī)SIM卡頂針、裝甲車裝甲夾層等。

1.2 磁學(xué)性能

金屬玻璃的力學(xué)雖然優(yōu)異，但是目前工藝成本較高，其作為工程結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用受到限制。目前金屬玻璃大批量應(yīng)用的領(lǐng)域主要是磁性材料領(lǐng)域。由于金屬玻璃原子排列無序、組織均勻，沒有晶界和磁晶各向異性，所以，磁性能良好。Fe基、Co基和Fe-Ni基金屬玻璃是目前應(yīng)用較多的金屬玻璃軟磁材料，在電力電子行業(yè)得到大批量應(yīng)用，如用于扼流器、高頻變壓器、互感器和傳感器等。

1.3 其他性能

金屬玻璃除了具有優(yōu)異的力學(xué)性能和磁學(xué)性能外，還具有其他特殊性能，如優(yōu)異的耐腐蝕性能，這是由于金屬玻璃不存在晶體缺陷和成分偏析，同時，其本身活性高，能在表面迅速形成防止腐蝕的鈍化膜。另外，金屬玻璃還可作為催化劑，王軍強[4]等發(fā)現(xiàn)，鎂基和鐵基金屬玻璃粉降解偶氮染料的效率很高，分別達(dá)到商業(yè)晶態(tài)鐵粉的1 000倍和200倍以上。

2 金屬玻璃的制備

2.1 金屬玻璃形成能力

合金在熔融狀態(tài)下冷卻，當(dāng)冷卻速率較慢時，原子將從不規(guī)則排列的狀態(tài)過渡到規(guī)則排列的狀態(tài)，形成晶態(tài)金屬。但當(dāng)冷卻速率足夠快時，原子的不規(guī)則排列的狀態(tài)將會被凍結(jié)，從而形成非晶態(tài)金屬，即金屬玻璃。經(jīng)過長期的研究，人們總結(jié)出了一套金屬玻璃形成能力經(jīng)驗判據(jù)，即通過約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度rg=g/l、過冷液相區(qū)寬度△x=x－g和=[x/（g+l）]等參數(shù)評判合金的玻璃形成能力。

2.2 金屬玻璃的制備

金屬玻璃制備的關(guān)鍵是合金熔體在冷卻過程中阻止其結(jié)晶，從而將合金熔體原子的無序狀態(tài)在一定溫度范圍內(nèi)保存下來。當(dāng)冷卻速率大于臨界冷卻速率時，金屬即可制備成金屬玻璃。合金的臨界冷卻速率與其成分息息相關(guān)，因此，可以從以下2方面著手研制大尺寸金屬玻璃：①尋找新的合金體系，以降低臨界冷卻速度；②加快設(shè)備的冷卻速度。臨界冷卻速度越大、冷卻速度越快，越容易得到大尺寸金屬玻璃。早期采用氣相急冷法制備金屬玻璃，氣相急冷法又分為真空蒸發(fā)沉積、電解和化學(xué)沉積、濺射法等；1960年初發(fā)展出熔體急冷法，冷卻速率達(dá)106K/s；時至今日，又發(fā)展出一系列新的金屬玻璃制備方法，包括機(jī)械合金化法、反熔化法、多層膜界面互擴(kuò)散反應(yīng)非晶法、離子混合法、氫致非晶化法、壓致非晶化法等[5]。

3 金屬玻璃在手表行業(yè)中的應(yīng)用

手表在佩戴過程中，人體產(chǎn)生的汗液會對手表的外觀件產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)致手表外觀件生銹，不僅影響產(chǎn)品的美觀，而且腐蝕產(chǎn)物會對佩戴者的健康產(chǎn)生危害。因此，手表外觀件材料的耐腐蝕性要求較高。目前，常用的手表外觀件材料為304和316奧氏體不銹鋼，具有良好的耐腐蝕性。但是304和316奧氏體不銹鋼的強度、硬度較低（維氏硬度150～ 200 HV）、耐劃傷性較差，使用其制備的手表外觀件在佩戴過程中，容易磨損、劃傷以及因磕碰導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，進(jìn)而影響產(chǎn)品的美觀及功能（比如防水密閉性能等）。因此，需要尋找一種耐腐性好、硬度高、耐劃傷性好的手表外觀件材料。目前，已經(jīng)得到較多應(yīng)用的其他手表外觀件材料有陶瓷、碳纖維、鈦合金等，但是都存在一定的缺點，比如陶瓷顯脆性，很容易因磕碰而破碎；碳纖維和鈦合金加工成型工藝較復(fù)雜，成本較高。

金屬玻璃在凝固過程中基本不會形成微觀結(jié)構(gòu)缺陷，因而原子之間的鍵合要比晶態(tài)合金強很多。此外，均勻而緊密地排列在一起的原子又使金屬玻璃在受力時不容易產(chǎn)生滑移。這些因素使金屬玻璃具有獨特的力學(xué)和機(jī)械性能，強度和硬度高，韌性、耐腐蝕性、耐劃傷性和耐磨性好，是手表外觀件的理想材料。另外，其成型工藝上接近“凈成形”，所需要的后期加工較少，可以有效降低后加工成本。目前，采用液態(tài)金屬的手表偶有報道，例如2009年，歐米茄推出的世界上第一款由陶瓷和液態(tài)金屬打造的限量版手表——海馬Seamaster Planet Ocean Liquidmetal，其表圈采用金屬玻璃材料制造；2017年沛納海推出Luminor 1950系列BMG-TECHTM金屬玻璃腕表，首次完全以金屬玻璃材料制造表殼。

4 結(jié)束語

目前，金屬玻璃已經(jīng)開始走向高端市場，除了手表外，在3C電子產(chǎn)品、機(jī)器人、醫(yī)療器械、精密儀表、汽車、高鐵等行業(yè)均開始出現(xiàn)金屬玻璃結(jié)構(gòu)件與功能件。金屬玻璃難以推廣的主要原因是工藝和成本等問題，現(xiàn)在來看，這些問題已逐步得到解決，相信在不久的將來，金屬玻璃材料將在更多領(lǐng)域得到更為廣泛和深入的應(yīng)用。

［1］吳念初，王勇.金屬玻璃成分設(shè)計的理論研究進(jìn)展［J］.遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2018，38（03）：1-6.

［2］汪衛(wèi)華.非晶態(tài)物質(zhì)的本質(zhì)和特性［J］.物理學(xué)進(jìn)展，2013，33（05）：177-351.

［3］He Q，Xu J.Locating Malleable Bulk Metallic Glasses in Zr-Ti-Cu-Al Alloys with Calorimetric Glass Transition Temperature as an Indicator［J］.Journal of Materials Science & Technology，2012，28（12）：1109-1122.

［4］王軍強.金屬玻璃的功能性應(yīng)用及相關(guān)基礎(chǔ)研究［J］.中國材料進(jìn)展，2014，31（05）：270-281.

［5］魯文豪.金屬玻璃的性質(zhì)、制備和應(yīng)用［J］.建材世界，2017，38（05）：1-3.

2095－6835（2018）23－0148－02

TG139.8

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.148

鄔治平（1989—），男，主要從事手表用材料方面的研究。

〔編輯：張思楠〕