胜过金属的金属玻璃

王殿华

一说到玻璃，大多数人立刻就会想到玻璃窗、玻璃板、玻璃器皿。的确，到目前为止，玻璃的最主要用途仍在上面这些方面。随着生产技术的发展和玻璃品种的增加，玻璃的用途也越来越广。

玻璃缘起

3000多年前，一艘欧洲腓尼基人的商船，满载着晶体矿物“天然苏打”，航行在地中海沿岸的贝鲁斯河上。由于海水落潮，商船搁浅了。于是船员们来到岸上，烧火做饭。做饭时他们用天然苏打来做锅的支架。吃完饭后，有船员突然发现锅下面的沙地上有一些晶莹明亮、闪闪发光的东西，船员们把这些闪着光的东西带到船上仔细研究起来。他们发现，这些亮晶晶的东西上沾有一些石英砂和融化的天然苏打。原来，这些闪光的东西就是他们做饭时用来做锅的支架的天然苏打，在火焰的作用下，天然苏打与沙滩上的石英砂发生化学反应，进而生成了这种晶体，它就是最早的人工玻璃。后来腓尼基人把石英砂和天然苏打混合在一起，在一种特制的炉子中熔化后制成玻璃球去卖，腓尼基人因此发了一笔横财。大约在4世纪，罗马人开始把玻璃应用在门窗上。1291年，意大利的玻璃制造技术已经非常发达。1688年，一名叫纳夫的人发明出制作大块玻璃的工艺，从此，玻璃成了我们生活中非常平常的物品。

其实早在公元前约4000年，埃及人就已经能够制造出被称为费昂斯(fa-ience)的原始玻璃了，它具有不同于后期真正玻璃的晶粒结构。费昂斯制品曾长期流行于西亚及地中海一带，其后被真正的玻璃替代。我国古代也曾制造出无色或半透明的玻璃，人称琉璃。琉璃也属于费昂斯。相传琉璃是公元前493年范蠡督造王者之剑时所发现的。这种神奇的物质被称为“蠡”。之后范蠡遍访能工巧匠，将“蠡”打造成一件精美的首饰，作为定情之物送给西施。琉璃是中国传统建筑中的重要装饰构件，通常用于宫殿、庙宇、陵寝等重要建筑。琉璃的主要成分为二氧化硅。但与西方水晶玻璃的始祖

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

自然界中也存在玻璃，它是由火山喷出的酸性岩凝固而得。人工制造的玻璃则是以石英砂、纯碱、长石和石灰石等为主要原料，经熔融、成型、冷却固化而成的非结晶无机材料。普通玻璃在熔融时会形成连续网络结构

，冷却过程中材料黏度逐渐增大并硬化，成为不结晶的硅酸盐类非金属材料。它具有一般材料难以具备的透明性，具有优良的机械力学性能和热工性质。

玻璃态

固态物质一般分为晶体和非晶体，构成晶体的原子(或离子或分子)具有一定的空间结构(即晶格)，晶体具有一定的晶体形状和固定熔点，并不具有各向同性(材料在各个方向上的力学性能和物理性能指标都相同)。而玻璃是一种非晶体，具有无定型固体状态(固体内部原子或分子的排列没有周期性和规则性，如同液体那样杂乱无章地分布)，这种结构被称为玻璃态(glassy stale)。

玻璃态是固态物质的特殊结构。有同样结构的固体其实还有很多，大多数高分子聚合物也都属于玻璃态物质，如松香、石蜡、沥青、橡胶等都是非晶态固体。它们共同的结构特征是内部原子或分子的排列呈现杂乱无章的高度无序分布状态。玻璃态也可以看成是保持液体结构的固体，是常压下低于O~C而不结冰的水，本质上来说它仍属于液态，但流动性比起普通的液态水要弱很多，这时的水其实就是过冷液体，介于液态与固态之间，也可以称其为玻璃态的水。玻璃态物质没有固定的形状和固定熔点，具有各向同性。它们随着温度的升高逐渐变软，最后才熔化，变软后可以被加工成各种形状。玻璃态物质在熔融状态下具有很高的黏度，形成无序的三维网络结构

，在温度降低时，容易处于过冷状态，使其无序态得以在固相中保持。

玻璃表面看上去是固体，实际上是具有固体状态的液体，这是科学家经过50多年来不断探索才认识到的。英国、澳大利亚及日本的科学家联合研究发现，玻璃无法成为固体的原因在于玻璃冷却时所形成的特殊的原子结构。英国布里斯托尔大学的帕特里克·罗亚尔说：“一些材料在冷却时会形成结晶，其原子会以高度规则的模式进行排列，称为‘晶格。不过玻璃在冷却时，原子拥堵在一起，几乎随机排列，妨碍了规则晶格的形成。”这种无规则结构的非结晶状态就是玻璃态，发现玻璃态对理解亚稳态材料(热力学上处于次一级稳定状态的一大类材料，是国际上材料科学的热点研究领域。亚稳态材料的某些性能有时要高于稳态材料)来说是个重大的突破，它将使进一步开发金属玻璃等新材料成为可能。另外，如果能够通过操作使金属在冷却时形成玻璃—样的内部结构，将大大减少金属内部的缺陷。

玻璃之王

科学家发现，在一定的条件下，金属也能做成玻璃，这种金属做的玻璃被称为金属玻璃、玻璃态金属或非晶态合金。1959年，美国加利福尼亚理工学院杜威兹教授等人用制备玻璃的方法，将高温金一硅合金熔体喷射到高速旋转的铜辊上，以每秒100万摄氏度的冷却速度快速冷却熔体，第一次制备出了不透亮的玻璃。当时的一位物理学家看到这种合金材料时，曾嘲讽地说这是一种“愚蠢的合金”。这种不透亮、看起来“愚蠢的”东西，就是在材料科学领域开辟出一条新道路的金属玻璃。

通常情况下，金属及合金在从液体凝固成固体时，原子总是从液体的混乱排列转变成整齐的排列，即成为晶体。但是，如果金属或合金的凝固速度非常快，原子来不及排列整齐便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于液体，是混乱的，这就是非晶合金。因为非晶合金原子的混乱排列情况类似于玻璃，所以又被称为金属玻璃。金属玻璃兼有金属和玻璃的优点，又克服了各自的弊病。它具有一定的韧性和刚性，强度高于钢，硬度超过高硬工具钢，断裂强度也比—般的金属材料高得多，有良好的化学稳定性。有些还有良好的磁学性质，可用于制造高压容器、火箭等关键部位的零部件、机械振荡器、电流脉冲变压器、磁泡器件等。非晶态软磁材料则可以用来制造录音机、录像机的磁头、磁带。

从理论上说，任何物质只要它的液体冷却速度足够快，原子来不及整齐排列就凝固，那么原子在液态时的混乱排列被迅速冻结，就可以形成非晶态。但是，不同的物质形成非晶态所需要的冷却速度大不相同。例如，普通的玻璃液体只要慢慢冷却下来，得到的玻璃就是非晶态的。单一的金属则需要每秒高达1亿摄氏度以上的冷却速度才能形成非晶态。由于目前工艺水平的限制，实际生产中难以达到如此高的冷却速度，也就是说，单一的金属难以在生产上被制成非晶态。为了获得非晶态的金属，人们一般将金属与其他物质混合形成合金。这些合金具有两个重要性质：第一，合金的熔点远低于纯金属，例如纯铁的熔点为1538℃，而铁硅硼合金的熔点—般在1200℃以下；第二，液体状态的合金原子更加难以移动，在冷却时更加难以整齐排列，也就是说更容易被“冻结”成非晶体。例如，铁硼合金只需要每秒100万摄氏度的冷却速度就可以形成非晶态。

玻璃态金属有很多优点以及独特的功用，如：高强韧性、优良的磁性、简单的制造工艺等，人们赞扬它是“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。美国、欧洲等国家和地区的研究人员称之为“21世纪的材料”。我们在日常生活中接触的非晶态材料很多，如采用非晶态合金制备的高耐磨音频视频磁头在高档录音机、录像机中被广泛应用，采用非晶态合金的高尔夫球杆、钓鱼杆也已经面世。迄今为止，国内外非晶合金开发最多的是作为软磁材料的一类。它们是由铁磁性元素(铁、钻、镍或者它们的组合)和类金属元素(硅、硼、碳，也叫做玻璃化元素)等组成的。非晶态软磁材料在图书馆或超市中被做成条带夹在书籍或者商品中，也可以做成商品标签。如果尚未付款，货品就被带出，则在出口处的检测装置会发出报警信号。非晶合金还被大量应用在电力系统。

航天方面，现在卫星收集太阳能维持运转的伸展机构大多使用的是高分子有机材料，存在易挥发和易老化的问题，会给整个系统运转造成障碍，因此，耐腐蚀、抗撞击、耐冷热的金属玻璃有可能在未来成为理想的候选材料。

军事方面，由于其优异的力学性能，金属玻璃可用来制造反坦克的动能穿甲弹。金属玻璃和钨复合制成的穿甲弹头，密度高、强度大、穿甲性能好，具有自锐效应，也具有贫铀弹头的高绝热剪切敏感性，有望取代对人类健康和环境造成严重危害的贫铀弹。

超强金属玻璃

据美国《连线》杂志报道，不久前，美国加利福尼亚理工学院以最新方法制造出一种“金属玻璃”材料，该材料的硬度和弹性是钛的两倍，用它制造的3毫米直径合成金属棒能够支撑一辆2吨重的卡车，金属棒仅仅出现轻度弯曲，而不像其他金属棒被折断。这种金属材料可用于航天和汽车制造行业，也可以用于电子制造业，使用该材料制造的宇宙飞船和汽车将非常轻。该材料的超强硬度来自于其玻璃态的无序原子结构。

金属玻璃的出现，让科学家隐约看到了第三次材料工业革命的曙光。随着金属玻璃的发展及其在民用领域的应用，我们的生活将有更多的选择及便利。

【责任编辑】赵菲