http://www.physorg.com/news123430580.html
February 28, 2008
加州理工學院的科學家為創造「液態金屬」發展出一種新策略，使它能明顯曲折而不會破裂，同時保有鈦金屬二倍的強度。在已知材料中，它名列最堅韌的，或最不易碎的，能用在任何傳統上可發現堅固金屬合金的地方，而且有可能證明是航太產業中最有用的一種材料，在這裡低密度代表節省燃料。
當商業化的金屬玻璃，稱為 Liquidmetal 與 Vitreloy 在數年之前以高爾夫球桿與棒球球棒的形態上市時，它因太易碎裂而禁不起脅迫。現在，Douglas Hofmann （加州理工材料科學畢業生，同時是一篇提及此新材料製造方法的論文的第一作者）說，它可以被製成具有彈性，而且能以相對較低的成本來製造。"金屬玻璃現在名列任何最強韌材料之中，" 他說。
如同窗玻璃，金屬玻璃並沒有結晶的結構，而是由鋯（Zr）、鈦（Ti）、銅（Cu）、鎳（Ni）、鉑（Pt）或其他金屬製成。雖然元素隨機的排列讓這種材料如同某些已知最強的金屬般強大，不過也使得它相當易碎。大部分其他金屬會可塑性地變形，這表示在沈重負荷下，這種變形在最後斷裂之前都是永久的。金屬玻璃的表現則如同橡皮筋，當釋放時會重獲其原本形狀，不過到達某一臨界點時，會突然折斷。一塊具有任何真實厚度的金屬玻璃，當它被折彎時很容易破碎，而且，Hofmann 指出，"你不能用它來蓋座橋。它會在沒有任何視覺前兆下斷裂。"
"許多金屬玻璃研究者試圖讓它們在結構應用中用有，" Hofmann 說。他及其同事最後終於完全實現這個目標。他們以金屬的不同結合來進行實驗，藉由操縱起始金屬的比例以創造新版本金屬。他們受到共同作者 William Johnson，加州理工的 Mettler 工程與應用科學教授及其共同研究者先前的研究所指導。在過去 20 年來，這些科學家已經發現，延展性（ductility）-- 某種材料在斷裂之前於張力下的變形能力 -- 與金屬玻璃中一種分歧的（branching）、結晶狀的結構，稱為樹枝狀結晶（dendrites，譯註：在生物學中指樹突）的形成有所關連。
這個團隊首先以樹枝狀結晶的大小來實驗。Hofmann 與 Johnson 開始注意到，當金屬玻璃被折彎時，10 奈米寬的特徵，稱為剪變帶（shear bands）從比 1 公釐還要厚的玻璃右側裂開，不過在細薄玻璃中則較為穩定。"彎曲實驗告訴我們，在它們演變成一場災難之前，我們所需添加的顆粒尺寸與剪變帶的長度尺度成比例，" Hofmann 描述。
在奈米科技受到爆炸性關注的時候，Hofmann 驚訝地發現到樹枝狀結晶的大小必定是數百微米的等級，是剪變帶大小的數千倍。第二個重要的洞悉是，它們也必定比周遭的金屬玻璃來得柔軟。
因為它們是結晶狀的，樹枝狀結晶會可塑性地變形，而且它們的大小阻止單一剪變帶成長為災難性的破裂。"讓剪變帶向前推進所耗費的能量要比形成新的剪變帶來得多，" Hofmann 提到。"我們拿一種合金（那只要一個剪變帶就會破裂）然後使它產生數不盡的剪變帶。"
"我們拿一種金屬玻璃，那被認為是種易碎材料，我們以它設計出一種複合物來證明，我們能橫跨整個堅韌度空間，" Hofmann 評論道。"它愈堅韌，就愈難驅使裂痕通過它。現在我們有了延展性與堅韌度，" 他聲明。
因為這種新金屬玻璃堅韌且強壯，而且相對地密度較低，它最明顯的應用將會是任何包含鈦金屬的結構。在航太科技中，這些特性在最小化重量上最為關鍵，而且能節省燃料成本。
不過，Hofmann 說，"我們並非試圖取代鈦；我們是要尋找更強材料在哪才會有用處，" 尤其是因為這種材料仍很難製造。然而，他指出一個相當誘人的特性："因為它比較強，所以你可以用的比較少。"
※ 相關報導：
＊ Designing metallic glass matrix composites with high toughness and tensile ductility
http://www.nature.com/nature/journal/v451/n7182/abs/nature06598.html
Douglas C. Hofmann, Jin-Yoo Suh, Aaron Wiest, Gang Duan,＊ 科技鑲藝術 奧圖碼娶琉璃工房
Mary-Laura Lind, Marios D. Demetriou & William L. Johnson
Nature 451, 1085-1089 (28 February 2008)
doi:10.1038/nature06598
＊ 重建古埃及人玻璃製造技術
＊ 科學家解決玻璃水之謎
＊ 新塑膠：堅固如鋼而且透明
＊ 無熱膨脹的混種半導體
＊ 金屬泡沫擁有優良「記憶」
＊ 科學家獲得有磁性的金、銀、銅原子
＊ 新發現讓次世代光纖成本降低
＊ 新製程讓奈米纖維具複雜形狀且長度不受限
＊ 科學家開發出能像壁虎般飛簷走壁的黏膠
＊ 量子點讓「彩虹」太陽能電池不再是夢想
沒有留言:
張貼留言