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1、塊體金屬玻璃的研究與應(yīng)用姓名：李義鋒1概述塊體金屬玻璃的出現(xiàn)，使玻璃合金由過去單一的功能材料應(yīng)用向集優(yōu)異的物理、化學(xué)與力學(xué)性能于一體的功能性結(jié)構(gòu)材料的跨躍成為可能；還為解決材料科學(xué)與凝聚態(tài)物理中若干重大科學(xué)問題提供了新的機(jī)遇。金屬玻璃是指金屬合金的熔體在從高溫冷卻到熔點(diǎn)以下沒有通過結(jié)晶的方式而直接被“冷凍”形成的固體。雖然人類到目前為止對(duì)“冷凍”形成玻璃的過程還不清楚，但已知玻璃中的原子或分子排列如同它們?cè)诟邷啬菢与s亂無章。過去，人們要采用至少每秒10萬(wàn)度的冷卻速度才能獲得厚度為微米尺度的金屬玻璃?，F(xiàn)在，通過成分設(shè)計(jì)及采用小于每
2、秒100度的冷卻速度能夠獲得厚度為毫米到厘米尺度的金屬玻璃，即塊體金屬玻璃。由于金屬玻璃具有許多獨(dú)特和優(yōu)異的物理、力學(xué)和化學(xué)特性，因而在很多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。金屬玻璃的形成機(jī)理和結(jié)構(gòu)以及金屬玻璃在物理、力學(xué)與化學(xué)方面的本征特性等一直是現(xiàn)代材料與凝聚態(tài)物理的重要研究課題。2塊體金屬玻璃的發(fā)展塊體金屬玻璃（bulk metallic glass）通常是指3維尺寸都在毫米以上的金屬玻璃，20世紀(jì)70年代，陳鶴壽及其合作者用簡(jiǎn)單的吸鑄法在相當(dāng)?shù)偷睦渌伲?03K／s范圍內(nèi)）下制備出毫米直徑的Pd－Cu－Si金屬玻璃棒。該體系是最先發(fā)現(xiàn)
3、的塊體金屬玻璃體系。20世紀(jì)80年代初，Turnbull和他的學(xué)生翟顯榮采用一種叫助溶劑包裹的方法（Fluxing方法），制備出最大尺寸近厘米的PdNiP非晶合金。隨后用同樣的方法又發(fā)現(xiàn)一系列毫米級(jí)Pd基，Pt基金屬玻璃。Pd基非晶合金具有很強(qiáng)的非晶形成能力，可以稱之為第一代大塊金屬玻璃。但是Pd，Pt都很昂貴，加上制備工藝復(fù)雜，難以工業(yè)化推廣。這類大塊金屬玻璃只能用于非晶物理的基礎(chǔ)研究，應(yīng)用價(jià)值較小。但這項(xiàng)工作證明，在合金中可以獲得大塊金屬玻璃材料。尋找大塊金屬玻璃新體系的工作是相當(dāng)艱苦的。金屬玻璃材料及物理的研究在20世紀(jì)8
4、0年代曾一度從熱門變成冷門研究課題。那時(shí)候，只有為數(shù)不多的研究組仍在這一領(lǐng)域堅(jiān)持工作。日本東北大學(xué)金屬研究所的A.Inoue和美國(guó)加州理工學(xué)院的W.L.Johnson就是這類研究組。到20世紀(jì)80年代末，Inoue等人終于取得突破．他們改變了過去重點(diǎn)關(guān)注從工藝條件來改進(jìn)玻璃形成能力的方法和思路，而從合金的成分設(shè)計(jì)角度來提高合金系本身的玻璃形成能力，即通過多組元合金混合來提高合金系本身的玻璃形成能力。他們采用金屬模澆鑄（metalmold casting）方法系統(tǒng)評(píng)估一系列由過渡金屬組成的多組元合金玻璃形成能力，獲得了La－Al－
5、Ni－Cu，Mg－Y－Ni－Cu，Zr－AL－Ni－Cu等具有很強(qiáng)玻璃形成能力的第二代塊體金屬玻璃體系（呈直徑為1—10mm的棒狀、條狀）。在此基礎(chǔ)上，1993年，Johnson等人通過摻金屬Be的方法，發(fā)現(xiàn)了玻璃形成能力超強(qiáng)的Zr－Ti－Cu－Ni－Be合金系．以Zr基大塊金屬玻璃為代表的第二代金屬玻璃，由常用金屬元素組成，其形成能力接近傳統(tǒng)氧化物玻璃，尺寸最大達(dá)直徑8cm，最低臨界冷卻速率低于1K／s。值得一提的是，在金屬玻璃材料和物理發(fā)展過程中，中國(guó)人做出了重要貢獻(xiàn)。早在1960年代，在Pd基、Pt基金屬玻璃研制、特性及物
6、理性能研究中，陳鶴壽、翟顯榮做出了許多開創(chuàng)性工作。陳采用助溶劑包裹的方法發(fā)現(xiàn)了一系列非晶合金。Pd基金屬玻璃至今仍是非晶形成能力最好的體系之一，被廣泛用于研究非晶物理和材料科學(xué)中的一些基本問題。此外，張濤作為Inoue的學(xué)生在第二代塊體金屬玻璃發(fā)現(xiàn)工作中做出了重要貢獻(xiàn)。中國(guó)科學(xué)院物理研究所王文魁在高壓下非晶的晶化和制備方面做出了原創(chuàng)性工作。近年來，我國(guó)對(duì)塊體金屬玻璃的研究取得了令人矚目的進(jìn)展。塊體金屬玻璃的研究先后獲得過多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目的重點(diǎn)支持，此外，軍工部門也
7、設(shè)立了相關(guān)的項(xiàng)目．中國(guó)科學(xué)院物理研究所在國(guó)家自然科學(xué)基金委的建議和資助下，于2001年召開了國(guó)內(nèi)第一屆塊體金屬玻璃研討會(huì)，參會(huì)人員有10余人，這次會(huì)議對(duì)塊體金屬玻璃在中國(guó)的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。之后，每年都有塊體金屬玻璃研討會(huì)。2003年和2007年在北京成功舉辦了第三屆和第六屆“塊體非晶態(tài)合金國(guó)際會(huì)議”。2006年，中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)成立了非晶態(tài)合金專業(yè)委員會(huì)，推動(dòng)了金屬玻璃研究在我國(guó)的進(jìn)一步開展．近年來，我國(guó)科學(xué)家在金屬玻璃的基礎(chǔ)研究與合金發(fā)展領(lǐng)域做出了一些有影響的工作。3塊體金屬玻璃的制備方法有研究者曾試圖通過粉末冶金(包
8、括機(jī)械合金化)方法,把金屬玻璃粉末在粘滯流變溫度區(qū)間熱壓成塊體金屬玻璃,不僅存在許多技術(shù)難題,而且所制備的塊體材料在純度、致密度、尺寸和成形等方面受到很大的限制。因此,這里只討論采用合金近快速凝固的方法制備塊體金屬玻璃。在合金組元及其含量配比確定的條件下,采用合
