2008-03-08

創造強韌金屬玻璃複合材料的新方法

New Method for Creating Tough Metallic Glass Composites
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,
Mary-Laura Lind, Marios D. Demetriou & William L. Johnson
Nature 451, 1085-1089 (28 February 2008)
doi:10.1038/nature06598
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