出品| 網易新聞
作者| 鴻鵠，科技愛好者
提起非晶合金，可能有些人會覺得比較陌生，但說起iPhone手機，大家就比較熟悉了，其實，iPhone那個小小的卡針就用到了這種材料。此外，生活中非晶合金還廣泛應用於手機卡託、手環表殼、USB接口和變壓器上等等各個方面。
而在軍事上，很多國家正在研究將非晶和金作為彈芯材料，製造穿甲彈等破甲武器，替代對人類健康和生態環境造成嚴重危害的貧鈾彈。
那麼，非晶合金究竟有啥特別之處？用它做成的穿甲彈又是怎樣的存在？今天我們就帶大家了解下。
（美軍士兵在搬運貧鈾彈）
（一）貧鈾彈突破裝甲的能力為什麼比正常穿甲彈強悍？
穿甲彈是裝甲裝備的主要彈種之一（此外常見的還有破甲彈和碎甲彈），其結構基本都可以拆分為兩個部分，頭部的彈芯和尾部的彈藥。
（穿甲彈結構）
穿甲彈之所以能貫穿裝甲並摧毀目標，依靠的主要是彈丸命中目標過程中產生的強大動能。而作為一種動能武器，如果想獲得更好的穿甲效果，高密度的彈芯必不可少，這也是穿甲彈常常使用鎢合金、鈾合金等高密度材料作為彈芯的原因。
雖然彈頭重量越大，效果越好，不過為了保證遠的射程，彈頭部分一般都設計得很小，此外，為了保證彈藥充足，還會與之搭配大口徑的火炮。而為了配合細的彈頭和粗的彈筒就有了脫殼穿甲彈的設計，其中尾翼穩定脫殼穿甲彈被包括中國在內的世界各國大量採用。
相比於其他種類的炮彈，穿甲彈作用以穿甲為主，需要依靠炮彈本身強大的動能以硬碰硬，穿透坦克的防護裝甲。
穿甲前期，高速運動的彈丸和裝甲高速碰撞，飛行的彈體遇阻礙，與裝甲鋼之間產生高應力作用，正常情況下彈體會不斷破碎、飛濺，彈丸的動能此時轉化為熱能，加熱與彈丸接觸的裝甲材料，使得接觸面破碎的裝甲飛濺出去，並在裝甲表面形成一個口部不斷擴大的凹坑。
而貧鈾彈因為其本身硬度高、韌性好，所以在碰撞的過程中更難破碎，穿透能力更好。同時，鈾容易氧化，撞擊產生的高溫，會引發鈾燃燒，從而產生更高的溫度，使得裝甲的強度進一步下降，破壞效果更好。
穿甲中期，彈體持續往裝甲內部穿透，進入坑內後，彈體在破碎的同時不斷侵徹裝甲，彈體產生的碎塊被反擠在彈體周圍，使得凹坑進一步擴大，在彈體侵徹到一定深度後，會在裝甲背面出現鼓包。貧鈾穿甲彈在穿甲過程中，彈頭會不斷「自銳」，使其穿甲能力相比自鈍的鎢合金穿甲彈進一步增強。
所謂的「自銳」是指貧鈾合金在溫度上升時帶來的強度降低程度超過了這一過程中自身變形得到的強化，從而產生絕熱剪切帶，彈芯頭部因碰撞產生的裂痕會沿著該剪切帶擴展，裂紋持續擴展後使得彈芯頭部邊緣材料崩落，彈頭就相當於被削尖了。
（貧鈾彈彈頭的自銳過程，相比而言，貧鈾合金在較低的反應率下就會產生絕熱剪切帶，更容易引發自銳效應）
穿甲末期，雖然彈體的破碎不再繼續，但裝甲背面的鼓包仍會在慣性作用下繼續擴大，而裝甲的凹坑部位因為變形量過大，抗力也越來越小，最終在最薄弱處被穿透，彈體的殘餘部分及產生的破片，以剩餘速度從裝甲背面形成的孔中高速噴出，殺傷裝甲內部的坦克成員和破壞裝甲內部裝備。
此時，貧鈾彈會造成放射性汙染，並在鈾燃燒時產生大量雲霧狀氧化鈾塵埃，這些物質一旦被吸入人體就會造成內臟組織的永久性損傷，甚至導致死亡。
（二）為什麼選擇非晶合金做貧鈾彈的替代品？
彈芯是穿甲彈的主體，彈芯材料的物理特性直接決定穿甲彈的侵徹性能，所以穿甲彈的技術核心還是在於彈芯，特別是彈芯材料的選擇上。
在各類型的穿甲彈中，貧鈾彈的性能相對比較優異，價格也比較便宜，但它在使用過程造成的放射性汙染會對人體造成極大的傷害，這也是許多國家不願意使用這種武器的主要原因。因此，尋找可替代的材料逐漸成為各國研究的重點。
然而，可供選擇的貧鈾彈替代品，要麼就是效果沒鈾合金好，要麼就是價格昂貴。
目前使用量最大的主流替代品是鎢合金，但是鎢合金的密度不夠高，物理特性也沒貧鈾好。另一種使用量大的則是碳纖維材料，主要是普通碳纖維和碳納米管，它們和鈾合金一樣具有自銳的特性，但缺點是碳纖維材料一般都非常輕，相比合金彈頭而言動能太低，而如果只用來包裹彈芯材料使用的話，又會明顯地降低整個彈頭的硬度。
（相同條件下鎢合金彈芯（左）和鎢纖維複合材料彈芯（右）打靶的彈孔縱剖面對比：鎢纖維/非晶合金複合材料穿甲彈，在對裝甲的侵徹過程中，能形成狹窄彈孔，而鎢合金穿甲彈形成的彈孔直徑不斷增大，說明複合材料的彈芯產生了自銳效應）
中國鎢的儲量十分豐富，所以在彈芯材料的選擇上，能接受略貴一些的鎢合金作為穿甲彈彈芯的主體材料，但是鎢合金彈頭的自鈍性在戰場上卻是無法接受的。想要讓彈頭像貧鈾彈一樣既有自銳性又有高密度，核心的秘密就是非晶合金加上鎢合金的組合了。
中美兩國都在積極地研發將非晶合金應用到穿甲彈上的技術，美國研究製備了鎢絲嵌在連續的非晶態（金屬玻璃）或納米晶金中的複合材料穿甲彈彈芯。複合後的彈芯在綜合性能表現及物理特性上都完全可以達到貧鈾彈的穿甲能力。
而中國則以一種新型的鎢纖維/鋯合金金屬玻璃（非晶合金）基複合材料作為穿甲彈的彈芯，在與鎢合金穿甲彈進行靶場侵徹性能的對比試驗時，其性能要優於鎢合金穿甲彈：
（1）在複合材料彈芯中，彈芯基體（鋯基非晶合金）在侵徹時會斷裂和破碎，但不會像鎢合金那樣發生塑性變形和墩粗，形成蘑菇頭，這是產生自銳行為的主要原因。而加入的鎢纖維則起到增強韌性，提高材料的斷裂強度，同時增加彈芯密度的作用。實驗中複合材料的侵徹深度比鎢合金彈芯高約72%。
（2）在衝擊和摩擦過程中，非晶合金因為彈頭動能轉化為熱能而被加熱，非晶會結晶化，並且放出熱量，這與鈾合金受熱燃燒類似，溫度的上升容易使裝甲軟化，穿甲能力提高。
（3）複合材料彈芯在穿甲侵徹過程中，撞擊產生的強大應力會使非晶合金基體發生破碎、鎢纖維產生大角度的彎曲甚至斷裂，但破壞失效區域可以局限在彈芯頭部的狹小邊緣層內。而內部的基體和鎢纖維的微結構無明顯變化，這使得複合材料彈芯的穿甲性能可靠性得到進一步的保證。
雖然彈芯中只加了少量的非晶合金，但鎢合金的彈芯卻有了與貧鈾合金彈芯一較高下的能力。
（三）除了取代貧鈾彈，非晶合金還能讓變壓器提效、飛行器上天
非晶合金採用超急冷凝固製備工藝獲得，由於凝固過程過快，合金中的原子來不及擴散和運動，不能在形成有序排列後再結晶，這使得形成的固態合金內部原子排序呈長程無序結構，不像晶態合金那樣存在晶粒、晶界。而且，與相比傳統的金屬合金材料，非晶合金更容易表現出特殊的力學性能，比如極高的斷裂強度和硬度，並且晶界的消失，意味著它比晶態合金具有更強的局部耐蝕性能。
（非晶合金材料與普通金屬材料的原子結構區別，右為非晶合金材料）
因此，非晶合金不僅能讓常規穿甲彈進化出接近貧鈾彈的神奇效能，還可以用在很多高科技領域，取代原有的材料，獲得更好的性能。
除了前述的穿甲彈外，在航空航天領域，利用大塊非晶合金的高比強度和比剛度的優異力學性能，製造出的結構件（主框架，結構珩架，軸承等），相比於傳統的結構材料製造的構建，重量可以大幅降低，性能卻更強，能使飛行器發揮出更大的優勢。
（使用非晶合金材料製造的多種高強度工具）
另外，利用非晶合金在超冷液相區具有優異塑性變形能力的特性，可以將其加工成高精度、高強度的微型複雜機械。鐵基非晶合金具有高導磁率、低損耗特點，以此材料作為鐵芯製得的變壓器，效率大大提高，電網損耗進一步降低。此外，非晶合金基的複合材料既然能用在穿甲彈上，那麼大塊非晶合金同樣也可以成為穿甲防護材料的最優選擇。
結語
非晶合金在高科技領域的作用日益受到各國重視，中國非晶合金的研究雖然整體起步晚，但發展很快，2000年便建成了年產600噸非晶配電變壓器鐵芯生產線，非晶帶材的生產能力當時便已位居世界前三。
作為世界上認知度最高的標籤，中國製造（Made in China）正尋求戰略升級。「了不起的中國製造」專欄，力邀行業權威、資深玩家，呈現他們眼中的中國創新之路。
投稿請聯繫newsresearch_ntes@163.com，稿件一經刊用，將提供千字800元的稿酬。
-
編輯| 孫健航、史文慧
特別聲明：以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺「網易號」用戶上傳並發布，本平臺僅提供信息存儲服務。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.