金属玻璃

金属玻璃又称非晶态合金，它既有金属和玻璃的优点，又克服了它们各自的弊病。如玻璃易碎，没有延展性。金属玻璃延展性却高于钢，硬度超过高硬工具钢，且具有一定的韧性和刚性，所以，人们赞扬金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。

金属和玻璃从宏观特性到微观结构从不“搭界”。那么，又是什么手段使金属变成“玻璃”的呢？这是把高温下熔化了的液体金属，以极快的速度急剧冷却，使金属原子来不及按它的常规编排结晶，还处于不整齐、杂乱无章的状态就被“冻结”了，因此，出现了类似玻璃的奇异特性。

制造金属玻璃的关键是保持极高的冷却速度，要在千分之一秒的时间内，把熔化的金属材料冷却为固体，这样的冷却速度等于在一秒钟内把温度突然降低 100 万摄氏度。由于冷却速度太快了，熔化的合金液体来不及调整为晶体结构，突然被凝固成毫无秩序的固态。几乎所有的金属都可以通过快速凝固的方式成为金属玻璃。人们最初使用的是一种金硅合金。现在常常用铁作为主要材料，因为它的价格比较便宜，而且电磁性能也比较好。1974 年美国首先制成的商品材料“金属玻璃”（Metglas）和 1975 年日本制成的商品材料“非晶态金属”（Amomet）都是铁基合金。

金属玻璃是 70 年代刚刚走出实验室成为商品的一种新材料。人类在使用金属几千年漫长的岁月中，所遇到的金属是晶体的金属和合金，它们均具有排列整齐的原子结构。而在它的排列缺陷的地方会被拉断，金属玻璃的原子排列是无序的，它没有特殊的薄弱环节。因此金属玻璃的抗断裂强度比一般金属材料高得多，可达 350 公斤平方毫米。更可贵的是，在达到如此高强度的同时，这种材料还保持难以令人想象的韧性和塑性，所以可用来制造高压容器和火箭等关键部位的零件。

由于金属玻璃没有金属那样的晶粒边界，腐蚀剂无空子可钻，所以从根本上解决了金属晶界的腐蚀问题，能经受多种化学溶液的腐蚀，有良好的化学稳定性，它的抗腐蚀性要比不锈钢强 100 倍。金属玻璃还具有很好的超导性和抗核辐射能力等难得的优良性能。人造卫星上的太阳能电池是单晶硅电池，这种电池价格昂贵，如果将硅制成非晶硅（即硅金属玻璃）其价格就便宜多了，太阳能电池也就能更好地推广和普及。

现在真正能发挥非晶态合金特长的是电磁器件。非晶态铁合金是极好的软磁材料，容易磁化和退磁。与普通磁性材料相比，它具有导磁率高、损耗小、电阻率大等优点。用硅钢和金属玻璃分别制成 15 千伏变压器的对比试验

表明：磁芯损耗分别为 322 和 180 瓦。金属玻璃有效地用于放大器、开关、记忆元件等器件上。日本 TOK 公司用非晶态合金制成的录音机磁头，由于磁畸变极小而改善了音质。

金属玻璃是直接从熔融状态制成的，因而避免了费用高、周期长、耗能大的加工过程，它的成本仅为不锈钢制品的五分之一。含铬金属玻璃由于耐腐蚀和点蚀，特别是在氯化物和硫酸盐中的抗腐蚀性大大超过不锈钢，获得

了“超不锈钢”的名称，可以用于海洋和医学等方面。例如制造海上军用飞机电缆、鱼雷、化学滤器、反应容器、刮胡刀及手术刀等。

金属玻璃的高强度也引起了工程技术人员的注意。由于目前生产的各种元件尺寸不大，所以要通过编织和铺砌才能制成结构元件。这些用途包括强度控制电缆、电缆和光缆护套、压力容器、储能飞机、机械传送带、轮胎帘子布等。

用金属玻璃代替纤维和碳纤维制造复合材料，会进一步提高复合材料的适应性。硼纤维和碳纤维复合材料的安装孔附近易产生裂纹，而金属玻璃在具有很高强度（232～372 公斤平方毫米）的情况下，仍保持金属塑料变形的能力，因此有利于阻止裂纹的产生和扩展。目前正在研究将金属玻璃纤维用于飞机构架和发动机元件。

金属玻璃已引起世界各国的普遍重视，近年来已获得了长足的进展。但要获得每秒摄氏 100 万度的冷却速度却是十分艰难的，而且在这么快的冷却速度下所获得的金属往往是很薄的，因而在应用上受到一定的限制，这些问题尚需进一步解决。

金属材料在 21 世纪经济发展中的地位和作用

在展望面向 21 世纪新材料发展的前景时，首先让我们回顾一下 80 年代材料在整个世界贸易中的景象。尽管陶瓷、复合材料、塑料的平均增长率分别高达 16.1％、8.1％和 7.0％，而新型钢制品和新型有色金属制品的平均年增长率分别只有 2.2％和 3.7％。但是，新型钢制品和新型有色金属制品的营业额总和却超过了其他所有的材料及其制品的总和，从其量大和增长率低这一客观事实可以得出两个观点：其一是由于金属材料毕竟是发展历史悠久而且系统完整的传统材料，从中发展材料的机率和比例相对较低；其二是由于基数大而增长率低这一事实并不能掩盖新兴金属材料在新材料发展中的重要地位和作用，以上是对 80 年代的整个世界贸易中新材料市场的分析。根据多

方面预测：到 21 世纪世界钢产量仍处于上升的趋势，但各国的差异很大，美国已进入饱和时期，从经济和环境保护的角度出发，他们将减少本国的钢铁产量，进口部分钢铁并大力发展新材料；日本和欧洲共同体已开始进入饱和状态；俄罗斯也已进入成熟时期，但其居高不下的钢产量已经阻碍了工程塑料等新材料的发展；中国和其他发展中国家则还处在成长期，不是什么“夕阳工业”的问题。我国继苏、日、美之后，居世界第四，这是仅从数量讲；更重要是在品种、规格和质量方面，总的差距还是很大的，所以到本世纪末乃至下世纪相当长的时期内，我国包括钢铁、有色金属等传统金属材料在内的金属材料工业仍将处于重要的发展阶段，而新兴金属材料则更需迎头赶上世界发展的潮流，要特别注意我国富有稀土和硼等资源的开发和利用。

金属材料从原来几乎一统天下的地位逐渐让出部分市场并为其他新材料所取代，这是符合历史发展规律的。但是，在可以预见的未来，金属材料仍将占据材料工业的主导地位，这种情况在中国等发展中国家尤其如此。这是因为金属材料工业已拥有了一套相当成熟的生产技术和庞大的生产能力，并且质量稳定，供应方便，在性能价格上也占有一定优势。此外，在相当长时期内金属材料的资源是有保证的。