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玻璃 能比鋼鐵還堅(jiān)固和強(qiáng)力么？一種新型的容損金屬玻璃，已經(jīng)被證明超出了任何已知材料的強(qiáng)度和韌性，美國能源部（DOE）、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（伯克利實(shí)驗(yàn)室）和加州理工學(xué)院的研究人員合作測試通過了這一新發(fā)現(xiàn)。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(jié)果標(biāo)志著金屬玻璃的制造得到了第一次戰(zhàn)略性的運(yùn)用。我們相信可以利用這一工藝來制造更強(qiáng)更堅(jiān)韌的玻璃制品。”主持這一研究的伯克利實(shí)驗(yàn)室材料學(xué)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(jiān)硬金屬元素，它抵消了玻璃材料不可避免的脆弱易碎性。
“由于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(yuǎn)低于剪切帶斷開成為裂口的能量，”里奇解釋道，“這就導(dǎo)致了這種玻璃具有超強(qiáng)的可塑性，能夠抵抗巨大的沖擊力，這種沖擊力只能讓它彎曲，而不是碎裂。”
里奇是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料學(xué)部和美國加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系聯(lián)合任命的項(xiàng)目主持人，這一研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上，里奇教授同樣也是其中一位作者。
玻璃材料具有非結(jié)晶、無定形的結(jié)構(gòu)，使它們雖然非常堅(jiān)固，但也極度易碎，而金屬的晶體結(jié)構(gòu)可以提供抵抗碎裂的阻力（包括內(nèi)含的某些雜質(zhì)、晶界等），從而抑制碎裂的裂縫生成并擴(kuò)大。而玻璃并不具備這種晶體結(jié)構(gòu)，所以無法制止碎裂的裂紋擴(kuò)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(jìn)行災(zāi)難性的擴(kuò)大。
在早期的研究工作中，在伯克利實(shí)驗(yàn)室和加州理工學(xué)院的合作之下，制造出被稱為“DH3”的金屬玻璃，其中金屬晶相的介入能夠阻斷裂紋擴(kuò)展。這種金屬晶相采取樹突的形式滲透到玻璃的非晶結(jié)構(gòu)，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，合作者們制作出了純玻璃材料，其獨(dú)特的化學(xué)成分起到了促使通過多重剪切帶形成從而制止裂縫的擴(kuò)大。
“我們跟裂縫玩的游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(qiáng)的可塑性變化。”里奇說，“另外，鈀元素能夠提供優(yōu)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(jiān)硬的金屬相媲美的韌性。這種堅(jiān)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(qiáng)硬最堅(jiān)固的材料范圍。”
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，而后來加州理工學(xué)院的研究人員添加了銀元素，讓玻璃棒的厚度擴(kuò)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”，才能得到最后的非晶態(tài)液態(tài)金屬。
“我們的經(jīng)驗(yàn)是，為了制作金屬玻璃，我們至少需要五種元素。這樣，當(dāng)我們冷卻材料的時候，它就不知道按照什么晶體結(jié)構(gòu)來排序，從而具備非晶體狀態(tài)。”里奇說。
“傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，材料的強(qiáng)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(zhàn)人智力的刺激性。我們是在逆流而行，把玻璃的堅(jiān)硬屬性套在了金屬的抗損延展性的封套里。”
這一研究成果已經(jīng)在美國能源部科學(xué)辦公室經(jīng)過了鑒定和測試，支持加州理工學(xué)院的制造工作則是美國國家科學(xué)基金會。
“我們的研究結(jié)果標(biāo)志著金屬玻璃的制造得到了第一次戰(zhàn)略性的運(yùn)用。我們相信可以利用這一工藝來制造更強(qiáng)更堅(jiān)韌的玻璃制品。”主持這一研究的伯克利實(shí)驗(yàn)室材料學(xué)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(jiān)硬金屬元素，它抵消了玻璃材料不可避免的脆弱易碎性。
“由于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(yuǎn)低于剪切帶斷開成為裂口的能量，”里奇解釋道，“這就導(dǎo)致了這種玻璃具有超強(qiáng)的可塑性，能夠抵抗巨大的沖擊力，這種沖擊力只能讓它彎曲，而不是碎裂。”
里奇是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料學(xué)部和美國加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系聯(lián)合任命的項(xiàng)目主持人，這一研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上，里奇教授同樣也是其中一位作者。
玻璃材料具有非結(jié)晶、無定形的結(jié)構(gòu)，使它們雖然非常堅(jiān)固，但也極度易碎，而金屬的晶體結(jié)構(gòu)可以提供抵抗碎裂的阻力（包括內(nèi)含的某些雜質(zhì)、晶界等），從而抑制碎裂的裂縫生成并擴(kuò)大。而玻璃并不具備這種晶體結(jié)構(gòu)，所以無法制止碎裂的裂紋擴(kuò)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(jìn)行災(zāi)難性的擴(kuò)大。
在早期的研究工作中，在伯克利實(shí)驗(yàn)室和加州理工學(xué)院的合作之下，制造出被稱為“DH3”的金屬玻璃，其中金屬晶相的介入能夠阻斷裂紋擴(kuò)展。這種金屬晶相采取樹突的形式滲透到玻璃的非晶結(jié)構(gòu)，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，合作者們制作出了純玻璃材料，其獨(dú)特的化學(xué)成分起到了促使通過多重剪切帶形成從而制止裂縫的擴(kuò)大。
“我們跟裂縫玩的游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(qiáng)的可塑性變化。”里奇說，“另外，鈀元素能夠提供優(yōu)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(jiān)硬的金屬相媲美的韌性。這種堅(jiān)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(qiáng)硬最堅(jiān)固的材料范圍。”
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，而后來加州理工學(xué)院的研究人員添加了銀元素，讓玻璃棒的厚度擴(kuò)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”，才能得到最后的非晶態(tài)液態(tài)金屬。
“我們的經(jīng)驗(yàn)是，為了制作金屬玻璃，我們至少需要五種元素。這樣，當(dāng)我們冷卻材料的時候，它就不知道按照什么晶體結(jié)構(gòu)來排序，從而具備非晶體狀態(tài)。”里奇說。
“傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，材料的強(qiáng)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(zhàn)人智力的刺激性。我們是在逆流而行，把玻璃的堅(jiān)硬屬性套在了金屬的抗損延展性的封套里。”
這一研究成果已經(jīng)在美國能源部科學(xué)辦公室經(jīng)過了鑒定和測試，支持加州理工學(xué)院的制造工作則是美國國家科學(xué)基金會。
