奇妙的非晶态金属

骆昌芹

由于科学技术发展的需要，材料科学已引起人们的极大关注。目前，材料科学理论上开创了一个新的研究领域，并使非晶态材料由实验室走向应用的广阔天地。

非晶态金属为何物

金属从来都是晶态的，现在又出现了非晶态金属，这就理所当然地引起人们的重视。什么是非晶态金属呢?要讲清这个问题，最好先说明什么是晶态金属。

所谓晶态金属，就是原子之间的排列是整齐的。相反，非晶态金属的原子排列是不整齐的，杂乱无章的。这是它们本质的不同。科学家在研究客观世界的时候，总希望迫本求源，探其本质。因为他们认识到，只有本质的变化才能把科学带人一个新境地。人类的物质文明正是人类不断地打开一个个新的领域而使世界绚丽多彩的。

非晶态金属有何用

我们知道，日常使用的金属材料总是在它的原子排列有缺陷的地方被拉断，而这种缺陷对晶态材料来说是难以避免的。所以，晶态金属材料中存在的缺陷在某些场合就像定时炸弹一样危险。

例如，美国的克利夫兰曾发生一次严重的液态天然气贮罐破裂事故，造成100多人死亡，损失几百万美元。又如，1943年冬，比利时刚建成不久的跨度75.4米的哈塞尔特大桥突然发出巨大开裂声，六分钟后整个大桥断成三截。好端端的罐、桥为什么忽然坏了呢?究其原因就是，晶态合金中存在着缺陷。它给人类财富所造成了很大的损失。

非晶态材料的原子排列是混乱的，所以它也就没有什么特殊的薄弱环节。正是由于这种原因，非晶态金属材料的断裂强度比晶态合金高得多。例如，铁一硼非晶态合金的断裂强度为320公斤/毫米²，而高碳钢的断裂强度还不到100公斤/毫米²。

金属材料腐蚀现象很常见。酸常常是从金属表面的晶粒边界这个“缺口”攻入金属将其腐蚀的。这方面的事故也不少。

例如，上世纪50年代末，美国第一艘核潜艇的动力装置发生漏泄，影响了核潜艇的正常工作。检查发现，这是由于不锈钢热交换器中的水含有微量氯离子，在晶态合金晶粒与晶粒之间的边界造成腐蚀而发生的。1972年，英国的一台叫做达姆海峡的水冷反应堆，其蒸汽发生器的14根管子发生事故，也是由于晶粒边界腐蚀造成的。

从本质上讲，腐蚀这一现象是晶态金属材料天生的缺点，是不可避免的。它给人类带来的损失和危害是巨大的。据报道，上个世纪70年代初，美、苏两国因设备腐蚀而损失的钢铁，每年达4000万吨。英国由于金属腐蚀，每90秒钟就要损失一吨钢材。其损失之大，真是触目惊心。

非晶态金属材料的原子排列是杂乱无章的，没有晶粒边界，使腐蚀剂无隙可乘，这就从根本上解决了腐蚀问题。例如，有的不锈钢在6％浓度的三氯化铁溶液中，每年以18毫米的速度被腐蚀，而非晶态合金在同样的情况下一点也不被腐蚀。可以想见，如果非晶态材料的研究已经在生产实践中达到了完善的程度，完全解决了腐蚀问题，那无疑给人类增加了巨大的财富。

非晶态金属的奇异性能，还把它引进超导材料的行列里。金属是导电体，导体中有电阻。电流在有电阻的导线中流过，就会损失一部分能量。如果有一种物质，它的电阻趋近于零，那么，只要用很小的电压就能获得很大的电流，而且这个电流由于在没有电阻的导体中运动，就没有能量损耗，电流也就永流不止。这就是超导现象。

目前，有些物质处于极低温度时，有电阻趋于零的现象发生。我们把物质开始发生超导现象的温度叫做超导转变温度。就超导这个课题的研究情况来看，“极低温度”是超导材料发展的最大困难之一。要想获得极低温，无论在设备上还是在技术上都是极其困难的，所以科学家都在为提高超导体盼使用温度而努力工作。不要说把超导体提高到室温下使用，就是稍微提高一点，也是对超导材料发展的贡献。

现在，非晶态材料的出现为解决这个难题提供了有利条件。例如，金属镓处于晶态时的超导转变温度为1.9K；而它变成非晶态时，超导转变温度一下子提离到8.4K。这是一个了不起的研究成果，它预示着人类在认识自然方面又前进了一步。

在能源日益减少的情况下，如何开发利用能源已是各国普遍关心的问题。非晶态材料的出现，也为开发利用能源助一臂之力。

参观过科学仪器展览的人，往往会看到在一台半导体收音机旁放着两件东西，一件是单晶硅光电池，另一件是台灯。

单晶硅光电池与半导体收音机相连。当台灯打开，灯泡一亮，半导体收音机就响了。台灯一关，声音就没有了。这是为什么呢?这是由于光线是能量，这种能量叫做光能，它照在单晶硅光电池上，光电池就把光能转变成电能，提供给收音机使用。

在人造卫星上都有两三个“翅膀”，那就是单晶硅光电池组合板，它可以将太阳能变成电能，供卫星使用。这种产生电能的简单办法，为什么不能推而广之呢?主要是由于单晶硅太阳电池价格昂贵。如果将硅制成非晶硅，它也能将光能转变成电能，那价格就便宜多了，适于民用。另外，它不像单品硅那样是一小块一小块的，可以制成大面积的非晶硅。这在处处感到能源不足的今天，是个值得重视的课题。

非晶态金属如何产生

由晶态合金变成非晶态合金，其制作方法是，将熔融的合金通过一个喷嘴，喷到高速旋转的光滑铜质辊面上，速冷而成。根据要求，它的冷却速度必须大于1×1000000℃/秒，即每秒一百万度的冷却速度，才能获得非晶态材料。

这样大得惊人的冷却速度，谈何容易?而且在这么快的冷却速度下，所获得的非晶态合金是很薄的。很薄的非晶态合金在应用范围上就会受到限制。另外，在急剧冷却条件下形成的材料，往往处于一种亚稳定状态，不宜在高温下使用。这些问题都需要科学家继续研究解决，使它变为一种真正崭新的材料。