CMF實驗室 | 液態金屬

在美國有家名叫 LiquidMetal 的材料生產商，生產的材料是非晶態合金（Amorphous Alloy），也叫做金屬玻璃。在進入中國時，媒體根據這家生產商的名稱直譯後，原本的「非晶態合金」在國內的叫法就變成了「液態金屬」。

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簡介

液態金屬也稱非晶合金或金屬玻璃，是一種新型的金屬合金。液態金屬擁有獨特的原子結構，其原子排列完全無序，而傳統金屬材料原子結構則排列有序。它是金屬卻有了流動的形態；它極輕卻又極強、極硬，是超越鋁、鎂、鈦等傳統輕合金的顛覆性材料；它可一次性成型，無需機加工的繁複程序；它是輕合金材料的顛覆者，可應用於3C、汽車、醫療等多個領域，正在逐步佔領市場。

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非晶合金的特點

非晶合金的特點主要取決於其不定型的原子結構，沒有特定的晶格結構，所以導致非晶合金具有極佳的力學特性，如高強度、高硬度等機械性能，但是在電力學性能和化學性能上沒有明顯的優勢。

（1）高強韌性：明顯高於傳統的鋼鐵材料，可以作複合增強材料，如釣魚杆等。國外已經把塊狀非晶合金應用於高爾夫球擊球拍頭和微型齒輪。非晶合金絲材可用在結構零件中，起強化作用。

（2）優良的磁性：與傳統的金屬磁性材料相比，由於非晶合金原子排列無序，沒有晶體的各向異性，而且電阻率高，因此具有高的磁導率、低的損耗，是優良的軟磁材料，代替矽鋼、坡莫合金和鐵氧體等作為變壓器鐵心、互感器、傳感器等，可以大大提高變壓器效率、縮小體積、減輕重量、降低能耗。非晶合金的磁性能實際上是迄今為止非晶合金最主要的應用領域。

（3）簡單的製造工藝：非晶合金的製造是在煉鋼之後直接噴帶，只需一步就製造出了薄帶成品，工藝大大簡化，節約了大量寶貴的能源，同時無汙染物排放，對環境保護非常有利。正是由於非晶合金製造過程節能，同時它的磁性能優良, 降低變壓器使用過程中的損耗，因此被稱為綠色材料和二十一世紀的材料。

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非晶合金的應用

非晶合金是目前世界各國爭相研製的重要新型材料，從智慧型手機外殼到穿甲彈，從變壓器鋼片到專業高爾夫球桿，這種新型材料的應用前景極為廣泛。目前，非晶合金運用的主要領域包括，電力電子元件，例如高級音響刺頭、高頻電源用變壓器、扼流圈、磁放大器等。

（1）航空航天領域：利用大塊非晶合金的高比強度，比剛度的優異力學性能，製造航空太空飛行器的主框架，結構珩架，軸承，反射鏡支架等結構材料，可大比例的減輕重量，相當於提高了航空發動機的推力比。

（2）軍事兵器領域：由於大塊非晶合金材料在高速載荷作用下具有非常高的動態斷裂韌性，是穿甲彈芯的首選材料之一。利用大塊非晶合金的高硬度特性還可以成為穿甲防護材料，如裝甲，防彈背心等。

（3）精密機械及汽車工業：利用非晶結構的特點可以加工出高精度無缺陷的微型齒輪傳動機構；利用其高硬度，高耐磨性能可製造汽車發動機中的液壓油缸，活塞等耐磨零部件，可大幅度提高其使用壽命。

（4）化學工業：利用其抗多種介質腐蝕的特性，可採用大塊非晶合金材料製備耐腐蝕零部件，可大幅度提高其使用壽命。

（5）醫療與體育器材：大塊非晶合金的耐腐蝕性能可成為固定骨折夾板和釘的首選材料；優良的比剛度，比強度和高的硬度是高級體育競賽如單槓，雙槓和撐杆的最好材料。

（6）3C行業：金屬玻璃最顯著的優勢，就是高強度、高硬度、高耐磨性，而且既輕又薄，恰好滿足3C產品的核心特質。金屬玻璃注塑、壓鑄的塑形方式，可以滿足時尚、美觀的外形訴求形狀訴求。液態金屬在工藝上接近「淨成形」，所需要的後期加工較少，可以有效降低後加工成本。金屬玻璃可通過改變表面結構來改變顏色，後期裝飾工藝豐富，顏色更自然，同時耐磨損，不易刮擦掉色。

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製備工藝

一般來說，常規非晶合金的製備方法有很多，主要分為三大類，即近快速凝固法、快速凝固法和深過冷凝固技術。顧名思義，近快速凝固法和快速凝固法可以獲得很快的冷卻速率，從而形成非晶合金。而深過冷凝固技術是指提高液體的過冷度達到製備非晶的目的，但冷卻速率一般。

近快速凝固技術

近快速凝固法的冷卻速率一般都小於103K/s，主要有：①銅模吸鑄法；②粉末冶金技術；③熔體水淬法；④壓鑄法；⑤非晶條帶直接複合一爆炸焊接；⑥定向凝固鑄造法；⑦磁懸浮熔煉銅模冷卻法；⑧固態反應；⑨從液相中直接製取。

水淬法：水淬法是製備塊體非晶的常規方法之一，其基本原理是：將母合金置於一石英管中，熔化後連同石英管一起淬入流動水中，以實現快速冷卻，形成大塊非晶合金。實現這個過程有兩種方法：一種是將石英管置於封閉的保護氣體系統中進行加熱(石英管口敞開)，同時水淬過程也是在封閉的保護氣體系統中進行；另一種是將石英管直接在空氣中加熱(石英管口須封閉)，管內須充入保護氣體，待合金熔化後再將石英管淬入流動水中。這種方法熔融金屬直接跟流動的水接觸，水的比熱比較大，可以達到較高的冷卻速率，有利於大塊非晶合金的形成，但也存在一些問題。

銅模吸鑄法：銅模吸鑄法是製備非晶合金最常用、最便捷的方法之一，其基本原理就是，在惰性氣體的保護下用電弧迅速將合金加熱至液態後，利用負壓將熔融合金直接吸入循環水進行冷卻，這樣能夠實現合金的快速冷卻，以此來獲得大塊非晶合金。這種方法在製備塊體金屬非晶方面具有其他方法不可超越的優勢，該辦法就是在環境壓力與大氣壓接近的保護氣體體系中熔煉合金，所以沒有明顯的氣孔；由液態轉入冷卻模的時間較短，加上銅模具有優秀的導熱性能和高壓水強烈的散熱效果，能達到較高的冷卻速率，工藝過程比較簡單，也易於操作。但是這種方法存在一定的不足，會導致合金熔體在銅模冷卻過程中會出現樣品表面收縮的現象，這樣成品就會存在空隙從而導致樣品冷卻速率下降，或者是樣品表面不夠光滑的現象。

快速凝固技術

目前主要的快速凝固法都是通過液態金屬與高導熱係數的冷襯底之間的緊密相貼來實現熱量的快速傳遞。快速凝固技術的冷卻速率可以達到105K/s以上，製備非晶粉末、薄帶等小尺寸(至少在某一維度上)的非晶材料很方便。

氣槍法(Qun technique)：基本原理是將熔融的合金液滴，在高壓(>50atm)下射向用高導熱率材料(一般為純銅)製成的急冷襯底上獲得非晶。由於液態合金與襯底緊密相貼，這種方法的冷卻速度極高(>109K/s)，這樣由此得到的是合金薄膜，最薄處厚度小於0.5~1.0um。

熔體旋轉法（Chill Block Melt-spinning）：將熔融的合金液自坩堝底孔射向一個由高導熱係數材料製成的輥子表面上，我們稱為，輥子高速旋轉，液態合金在輥面上凝固為一條很薄的條帶(厚度約20~50 um，寬度約2-5mm)。該的冷卻速率一般為105~106K/s。而輥面運動的線速越高的時候，合金液的流量就越小，這樣得到的合金條帶就會愈薄，冷卻速度也就愈高。旋鑄法使非晶的連續生產成為了可能，目前已成為製取非晶合金條帶的一種常規方法。

深過冷技術

深過冷快速凝固技術是指在儘可能消除異質形核的前提下，使液態金屬保持在液相線下數百度不凝固，然後瞬間形核完成液固轉變的一種技術。當過冷度足夠大時，晶體的形核與長大過冷將受到抑制，由於凝固潛熱通過固液界面被過冷熔體吸收，其凝固過程不受外部散熱條件所控制，液態金屬將凝固為非晶體合金。

玻璃包裹法（Flux Melting Technique）：玻璃包裹法是利用熔融氧化物作為淨化劑，通過熔融氧化物的黏性吸附作用和界面化學作用，使金屬熔體中的異質核心轉移到熔融氧化物中，使其失去異質形核作用，從而獲得較大的過冷度。

電磁懸浮法（Electromagetic levitation）：電磁懸浮由高頻電流和懸浮線圈組成，懸浮線圈之間存在對稱的懸浮力勢阱可導致樣品能克服重力的束縛，但懸浮線圈又充當加熱源，難以保證樣品始終處於一個穩定的位置。電磁懸浮是利用強電磁場波來懸浮和定位導電材料，當導電樣品置於電磁場中時，將會在樣品中誘導產生渦流。由於誘導電流和電磁場的接觸，將有一個力作用於樣品，這個力可以克服重力而使物體處於平衡狀態。這種誘導渦流通過歐姆損失產生焦耳熱，因此，如果沒有冷卻系統，樣品可被加熱到熔化。在樣品中的電磁力將會誘導熔融試樣的流動。所以，電磁懸浮有兩大限制：（1）只能是導電樣品；（2）樣品能夠內部加熱。

本篇文章部分圖片素材來源自網絡

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