美研發出超級玻璃 比鋼鐵還堅硬(圖)

2011-01-13 19:56

比鋼鐵還硬的玻璃

玻璃能比鋼鐵還堅固和強力麼？一種新型的容損金屬玻璃，已經被證明超出了任何已知材料的強度和韌性，美國能源部（DOE）、勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）和加州理工學院的研究人員合作測試通過了這一新發現。更令人驚喜的是，這種玻璃似乎很快就能投入日常使用。

「我們的研究結果標誌著金屬玻璃的製造得到了第一次戰略性的運用。我們相信可以利用這一工藝來製造更強更堅韌的玻璃製品。」主持這一研究的伯克利實驗室材料學家羅伯特·里奇如是說。

這種新型金屬玻璃加入了一些微量的鈀元素，一種具有超高「容積剪切率」的堅硬金屬元素，它抵消了玻璃材料不可避免的脆弱易碎性。

「由於含鈀元素這種高容積剪切率的金屬，剪切帶形成所需要的能量遠低於剪切帶斷開成為裂口的能量，」里奇解釋道，「這就導致了這種玻璃具有超強的可塑性，能夠抵抗巨大的衝擊力，這種衝擊力只能讓它彎曲，而不是碎裂。」

里奇是伯克利實驗室材料學部和美國加州大學伯克利分校材料科學與工程系聯合任命的項目主持人，這一研究結果發表在《自然》雜誌上，里奇教授同樣也是其中一位作者。

玻璃材料具有非結晶、無定形的結構，使它們雖然非常堅固，但也極度易碎，而金屬的晶體結構可以提供抵抗碎裂的阻力（包括內含的某些雜質、晶界等），從而抑制碎裂的裂縫生成並擴大。而玻璃並不具備這種晶體結構，所以無法制止碎裂的裂紋擴展。而這個問題在金屬玻璃上顯得更為尖銳，哪怕一個小小的剪切帶都能在微弱的力量作用下進行災難性的擴大。

在早期的研究工作中，在伯克利實驗室和加州理工學院的合作之下，製造出被稱為「DH3」的金屬玻璃，其中金屬晶相的介入能夠阻斷裂紋擴展。這種金屬晶相採取樹突的形式滲透到玻璃的非晶結構，用以防止裂紋蔓延成一個開放的裂口。而在這個新的工藝中，合作者們製作出了純玻璃材料，其獨特的化學成分起到了促使通過多重剪切帶形成從而制止裂縫的擴大。

「我們跟裂縫玩的遊戲就是盡量延長裂縫的廣泛性，通過其他玻璃金屬的合成辦法，讓整個材料在斷裂之前擁有更強的可塑性變化。」里奇說，「另外，鈀元素能夠提供優秀的、不同尋常的屏蔽能力，在對付非晶體材料的開放性裂紋方面具有神奇的功效。這讓我們的金屬玻璃具有了能夠跟已知的最堅硬的金屬相媲美的韌性。這種堅固和韌性的配合，或者說抗損傷的延展性能的罕見組合，超出了我們已知的最強硬最堅固的材料範圍。」

最初的新玻璃材料樣本是由含磷、硅和鍺的微量鈀元素混合，取得了直徑約一毫米的玻璃棒，而後來加州理工學院的研究人員添加了銀元素，讓玻璃棒的厚度擴大到六毫米。這種金屬玻璃的大小是有限的，必須迅速冷卻或者「淬火」，才能得到最後的非晶態液態金屬。

「我們的經驗是，為了製作金屬玻璃，我們至少需要五種元素。這樣，當我們冷卻材料的時候，它就不知道按照什麼晶體結構來排序，從而具備非晶體狀態。」里奇說。

「傳統觀點認為，材料的強度和韌性是一對互相排斥的屬性。這就使得我們的金屬玻璃具有挑戰人智力的刺激性。我們是在逆流而行，把玻璃的堅硬屬性套在了金屬的抗損延展性的封套裡。」

這一研究成果已經在美國能源部科學辦公室經過了鑑定和測試，支持加州理工學院的製造工作則是美國國家科學基金會。