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玻璃能比鋼鐵還堅固和強(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驗室（伯克利實驗室）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)略性的運用。我們相信可以利用這一工藝來制造更強(qiáng)更堅韌的玻璃制品。”主持這一研究的伯克利實驗室材料學(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�！� 里奇是伯克利實驗室材料學(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，在伯克利實驗室和加州理工學(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�！崩锲嬲f，“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(qiáng)硬最堅固的材料范圍。” 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)�！崩锲嬲f。 “傳統(tǒng)觀點認(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。 |
