非晶態金屬

非晶態金屬 圖片來自ugainian

非晶態金屬，是指在原子尺度上結構無序的一種金屬材料。大部分金屬材料具有很高的有序結構，原子呈現周期性排列（晶體），表現為平移對稱性，或者是旋轉對稱，鏡面對稱，角對稱（准晶體）等。

而與此相反，非晶態金屬不具有任何的長程有序結構，但具有短程有序和中程有序（中程有序正在研究中）。一般地，具有這種無序結構的非晶態金屬可以從其液體狀態直接冷卻得到，故又稱為「玻璃態」。

所以，非晶態金屬又稱為「金屬玻璃」（Glassy metal、Metallic Glass）、「玻璃態金屬」、「液態金屬」（Liquid metal）或塊狀金屬玻璃（Bulk Metallic Glass，BMG）是一種具有較低冷卻速度極限的非晶態金屬，所以該種金屬合金可以製備出尺度超過1毫米的金屬片或金屬圓柱。

製備非晶態金屬的方法包括：物理氣相沉積、固相燒結法、離子輻射法、甩帶法（連續鑄造}其中一種）和機械法。

由於鐵基非晶態金屬不具長程有序結構，其磁化及消磁均較一般磁性材料容易。因此，以鐵基非晶合金作為磁芯的非晶合金變壓器，鐵損(即空載損耗)要比一般採用硅鋼作為鐵芯的傳統變壓器低70-80%，對電網節能降耗有積極作用。。

目錄

發展歷史

1960年，W. Klement (Jr.), Willens 和 Duwez 首次製備觀察到了世界上第一塊金屬玻璃材料—— (Au₇₅Si₂₅)合金。 早期發現具有玻璃形成能力的合金均是在急速冷卻下製備（降溫速率在1百萬開爾文每秒, 10⁶ K/s），阻礙結晶過程。 為了達到冷卻速率閾值，這類材料的形貌在某個維度上要足夠小，典型的如帶狀、箔狀、線狀等，其厚度要小於100微米。

1969年，發現合金77.5% 鈀、6% 銅、16.5% 硅的玻璃化臨界降溫速率僅在 100 到 1000 K/s之間。

1976年， H. Liebermann 和 C. Graham 發展一類新型非晶金屬製備方法，通過單輥甩帶機實現驟冷 實驗中採用的合金由鐵、鎳、磷和硼構成。在1980年代初投入商業應用，是低損耗輸電變壓器的核心構件（非晶合金變壓器）

80年代初，通過熱冷循環處理後的表面刻蝕，Pd₅₅Pb_22.5Sb_22.5合金形成的玻璃態塊材直徑達到5毫米。

1988年，發現鑭系、鋁系和銅系合金有着較高的玻璃形成能力。

90年代，新型合金的玻璃態臨界降溫速率降至1K/s。這一降溫速率在普通的模具澆鑄法中即可實現。 這些塊狀的非晶合金鑄件厚度可達數厘米（最大厚度與合金種類相關）。

玻璃形成能力最強的合金來自鋯系和鈀系。鐵系、鈦系、銅系、鎂系等合金的也具備玻璃形成能力。 許多非晶合金的形成藉助了一類的「混合效應」。

成分結構

大部分的金屬在冷卻時都會結晶，把它們的原子排列成有規則的圖案，叫做晶格 。但如果結晶不出現，原子便會隨機排列，成為金屬玻璃 。

普通玻璃的原子也是隨機排列，但它不是金屬。金屬玻璃並不透明，它擁有獨特的機械和磁性特質，不易破碎和不易變形。它是製造變壓器、高爾夫球棒和其他產品的理想物料。

目前生產的金屬玻璃是較薄和較細的，因為金屬冷卻時很快便會結晶，所以需要非常快的冷凍。美國約翰斯鶴健士大學的研究員何納喬，正研究如何生產有超級強力、彈力和磁力特質，但是較為大塊的金屬玻璃。這種新的金屬會保持固體而不會在高溫下結晶，這將會適於製造引擎零件及軍用武器。

用鐵造的金屬玻璃是很好的磁性物質，而且由於加熱後便變得柔軟，容易鑄造成不同形狀的製成品。

圖《金屬玻璃科學家》中所見是何納喬利用感應熔爐 ，很快的將金屬混合物溶化，變為金屬玻璃 。