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论文作者:Douglas Hofmann 期刊:《自然》 发布时间:2008-2-29 18:8:39
新型玻璃合金韧性大大提升
 
弯曲自如而不会断裂,强度却能达到钛金的两倍:美国加州理工学院科学家日前成功开发出了一种新型玻璃合金,研究结果发表在2月28日的《自然》(Nature)杂志上。文章第一作者、该校材料科学系研究生Douglas Hofmann声称,他们研制的玻璃合金不但具有上述优良特性,而且价格低廉。
 
玻璃合金(metallic glass)又称液态金属(Liquid metal),由于其良好的硬度和弹性,在几年前投放市场并用于高尔夫球棍及棒球球棒的制造。不过,由于它比较脆,无法承受过大的力。
 
实际上,玻璃合金同普通玻璃一样,并无晶体结构。不同之处在于其中加入了锆、钛、铜、镍、铂等多种金属,是诸多元素的无规排列形成的合金。尽管金属容易产生永久性形变,但玻璃合金在形变被释放后可以恢复到初始状况,不过,这也是有限度的。这正如一根松紧带,如果拉得太长以至于超过限度,就会“啪”的一声断掉。Hofmann表示,此前,大块玻璃合金经不起弯折,否则会碎裂,因此不要试图使用这种材料建造桥梁,料不到哪一天会出现桥毁人亡的惨剧!
 
不过,从玻璃合金出现那一天起,科学家就一直在孜孜不倦地寻找将它应用到实际结构上去的办法。加州理工教授William Johnson等人二十年来发现,在张力作用下,玻璃合金的韧性(能发生非破坏性形变的能力)与其中的一种树枝状晶体(dendrite)有关,新研究就是在这一基础上进行的。
 
事实上,玻璃合金的弯曲行为取决于其剪切带(shear bands,集中剪切变形的带状区域,在该区内经受强烈的集中剪切,而带外的变形相对较小)的形成和扩大过程。而属于晶体的dendrite能填充剪切带并阻止其扩大,从而为玻璃合金提供足够的韧性。
 
在最新研究中,研究人员首先用不含dendrite的玻璃合金做弯折试验,发现剪切带刚形成时只有10纳米宽,然后迅速蔓延扩大,直到横切1毫米厚的整块玻璃合金;不过在更薄的玻璃合金中,这些剪切带不再扩大,趋于稳定。这就解释了大块玻璃合金经不起弯折的原因。
 
Hofmann说:“弯折试验告诉我们,需要在其中添加dendrite颗粒以阻止剪切带扩大。所需添加的dendrite大小正比于刚形成时的剪切带的大小。”也就是说,所添加的dendrite在几百微米的量级(即10万纳米的量级),在这个纳米技术炙手可热的时代,Hofmann对此大感惊讶。另外,研究人员还注意到,这些dendrite需比周围玻璃合金软一些才符合要求。
 
Hofmann说:“我们用来做试验的玻璃合金,是通常被认为的脆性材料。试验证实,通过预先设计好的合成手段,我们可以让它达到任何韧度值。韧性越强,就越难将它掰断。材料的延展性和韧性,已经尽在掌握。”
 
由于此种新型玻璃合金的高强度、高韧度和低密度等优良特性,它可以运用于任何要用到钛金的地方;而在航空航天技术中,这些特性对于减轻质量,节约燃油是至关重要的。(科学网 崔月雷/编译)
 
(《自然》(Nature),doi:10.1038/nature06598,Douglas C. Hofmann, William L. Johnson)
 
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