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美科学家研发出超级玻璃 比钢铁还坚硬

时间:2011/1/13 16:34:37 来源:中国建材网

  玻璃 能比钢铁还坚固和强力么?一种新型的容损金属玻璃,已经被证明超出了任何已知材料的强度和韧性,美国能源部(DOE)、劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州理工学院的研究人员合作测试通过了这一新发现。更令人惊喜的是,这种玻璃似乎很快就能投入日常使用。

  “我们的研究结果标志着金属玻璃的制造得到了第一次战略性的运用。我们相信可以利用这一工艺来制造更强更坚韧的玻璃制品。”主持这一研究的伯克利实验室材料学家罗伯特·里奇如是说。

  这种新型金属玻璃加入了一些微量的钯元素,一种具有超高“容积剪切率”的坚硬金属元素,它抵消了玻璃材料不可避免的脆弱易碎性。

  “由于含钯元素这种高容积剪切率的金属,剪切带形成所需要的能量远低于剪切带断开成为裂口的能量,”里奇解释道,“这就导致了这种玻璃具有超强的可塑性,能够抵抗巨大的冲击力,这种冲击力只能让它弯曲,而不是碎裂。”

  里奇是伯克利实验室材料学部和美国加州大学伯克利分校材料科学与工程系联合任命的项目主持人,这一研究结果发表在《自然》杂志上,里奇教授同样也是其中一位作者。

  玻璃材料具有非结晶、无定形的结构,使它们虽然非常坚固,但也极度易碎,而金属的晶体结构可以提供抵抗碎裂的阻力(包括内含的某些杂质、晶界等),从而抑制碎裂的裂缝生成并扩大。而玻璃并不具备这种晶体结构,所以无法制止碎裂的裂纹扩展。而这个问题在金属玻璃上显得更为尖锐,哪怕一个小小的剪切带都能在微弱的力量作用下进行灾难性的扩大。

  在早期的研究工作中,在伯克利实验室和加州理工学院的合作之下,制造出被称为“DH3”的金属玻璃,其中金属晶相的介入能够阻断裂纹扩展。这种金属晶相采取树突的形式渗透到玻璃的非晶结构,用以防止裂纹蔓延成一个开放的裂口。而在这个新的工艺中,合作者们制作出了纯玻璃材料,其独特的化学成分起到了促使通过多重剪切带形成从而制止裂缝的扩大。

  “我们跟裂缝玩的游戏就是尽量延长裂缝的广泛性,通过其他玻璃金属的合成办法,让整个材料在断裂之前拥有更强的可塑性变化。”里奇说,“另外,钯元素能够提供优秀的、不同寻常的屏蔽能力,在对付非晶体材料的开放性裂纹方面具有神奇的功效。这让我们的金属玻璃具有了能够跟已知的最坚硬的金属相媲美的韧性。这种坚固和韧性的配合,或者说抗损伤的延展性能的罕见组合,超出了我们已知的最强硬最坚固的材料范围。”

  最初的新玻璃材料样本是由含磷、硅和锗的微量钯元素混合,取得了直径约一毫米的玻璃棒,而后来加州理工学院的研究人员添加了银元素,让玻璃棒的厚度扩大到六毫米。这种金属玻璃的大小是有限的,必须迅速冷却或者“淬火”,才能得到最后的非晶态液态金属。

  “我们的经验是,为了制作金属玻璃,我们至少需要五种元素。这样,当我们冷却材料的时候,它就不知道按照什么晶体结构来排序,从而具备非晶体状态。”里奇说。

  “传统观点认为,材料的强度和韧性是一对互相排斥的属性。这就使得我们的金属玻璃具有挑战人智力的刺激性。我们是在逆流而行,把玻璃的坚硬属性套在了金属的抗损延展性的封套里。”

  这一研究成果已经在美国能源部科学办公室经过了鉴定和测试,支持加州理工学院的制造工作则是美国国家科学基金会。





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