材料界的超级“变形金刚”!非晶合金如何玩转“微成形”?

2018年12月29日
撰文/马将
本文选自《知识就是力量》杂志
 
“它可以根据环境随意变形, 受伤或中弹后伤口会像液体一样自动愈合”,这是科幻电影《终结者》中所塑造的机器人形象。那么,现实生活中有没有这样的材料呢?
有,它已被科学家成功研制出来。这就是非晶合金!美国科学家预言,它可能引起材料应用史上的第三次革命。
一、金属外表玻璃心
人类从第一次发现非晶合金(又称金属玻璃),到对它进行广泛而深入的研究,才只有几十年的时间。可以说,它是金属材料家族中非常年轻的成员。
非晶合金是由多种元素混合熔炼所得的金属合金。它有金属的不透明、导电、导热等性质,有明显的金属光泽;还有玻璃的高强度、硬度和内在本质结构特征。因此,它也叫金属玻璃或液态金属。
它既有金属的外表,又深藏着一颗玻璃的心,兼备了二者的优点,又克服了二者的弊病,被誉为敲不碎、砸不烂的“玻璃之王”。
二、制备秘诀:冷得快!
直到20世纪60年代,杜威兹等美国科学家才制备出非晶合金。它这么晚才被发现,主因是制备它的方法很特殊。
金属高温熔化自然冷凝,得到的就是晶态的普通金属[原子排列如图(a)]
如果人为加快熔体的冷却速度,如快到每秒10000摄氏度甚至更快,那得到的就是非晶态合金[原子排列如图(b)]
所以,制备非晶合金的诀窍只有一个:冷得快!通过急速冷却法制得的非晶合金强度高、硬度高、耐磨、耐腐蚀性强、弹性好……此外,它最神奇之处则是有像玻璃或塑料一样一加热就会软化的热塑性。
非晶合金具有热塑性,它在特定温度下(此温度区间称为冷液相区),就能按人的需求随意变形,就像《终结者》中的机器人一样。
利用非晶合金的热塑性,我们可以像拉面条一样,将其越拉越长[见图(c)];甚至可以像吹气球一样,将其“吹成”球状容器[见图(e)]。此外,它也能在开水中任意变形,能在其表面印制各种图案。
三、“微形”变化无压力
非晶合金独特的热塑性,不仅能对宏观尺度成形,更擅于进行微米到纳米级微观尺度的成形,它也被誉为“理想的微纳米成形材料”。
与传统的微加工成形材料和技术相比,它具有制备效率高(成形周期以秒为单位,通常小于半分钟)、成形精度好(尺寸误差在2‰左右)、表面质量优异(表面粗糙度在10纳米左右甚至更小)、工艺简单以及成本低等优点。
利用图(g)的方法,我们能在非晶合金表面制备各类微结构图案。如比人头发丝还细十倍的圆孔或长条状;小于半毫米的“LOVE”图案;线尺寸比细菌还小的小米手机logo阵列等。
四、“微应用”前景好
随着微电子器件及精密机械的高速发展,非晶合金在当前结构、器件微型化的大趋势中,细微零件和产品的成形加工越来越重要。
英国剑桥大学著名学者A.L.Greer认为,非晶合金未来极有前景的应用之一,就是在微纳米成形加工中的应用。它优良的热塑性和成形性,能在其表面制备功能性微结构,生产一系列相关器件及产品。
如,在其表面压印出1/10头发丝大小的光栅结构,就得到光栅器件,这在精密分析仪器中应用前景广阔;在其表面制备出荷叶形的微纳米复合结构,就能实现类似荷叶的超疏水自清洁效果,这在防腐、防污、防水、防雪、石油运输、新型水上交通工具中应用前景广阔。
此外,它在医学、精密仪器,尤其是正在兴起的微机电系统 (MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)领域具有十分广阔的应用前景。
本文来源:知识就是力量公众号