硬而坚韧的新型复合材料—金属玻璃

美国能源能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)与加州理工学院的研究人员日前通力合作，研发并测试了一种可抗损的新型金属玻璃，该材料强度和韧性均优于钢铁并超出现有已知材料，并且未来性能可能还会更好。伯克利实验室的材料科学家相信使用这种材料可制造出更强而坚韧的玻璃来。

新型金属玻璃含有一种微形态的钯，这种形态的金属具有高的“体剪切比”其刚性可抵消玻璃材料固有的脆性。材料研发的伯克利科学家说由于含钯材料高的剪切模量比，形成剪切带所需的能量比使这些剪切带裂开的能量更低，因此这种金属玻璃响应外力时具有广泛的塑性，可以弯而不折。

联合并领导伯克利实验室材料科学部门和加州大学（UC）的伯克利分校的材料科学与工程系研究人员的科学家Ritchie，作为共同作者之一在《自然》杂志材料版上撰文描述了这一现象，论文题为“一种可抗损的玻璃”；其余作者还有Marios Demetriou、Maximilien Launey、Glenn Garrett、Joseph Schramm、Douglas Hofmann和来自加州理工的William Johnson，他们均是金属玻璃研发人员。

玻璃材料属于非晶体，它具有的非晶结构使之自身极其坚硬但也总是很脆，而金属的晶体结构可提供微结构上的障碍（夹杂物、晶界等）来抑制裂纹传播，玻璃的非晶结构却不能阻止裂纹扩展。金属玻璃的问题就很严重，单一剪切带形成并一直能在材料内部扩张，遇上微乎其微的应力就导致灾难性事故。

在早期的工作中，伯克利和加州理工学院合作制备出一种称为“DH3”的金属玻璃，其中裂纹扩张可由引入的金属的第二晶体相阻止。这种晶相呈树突状，可容纳玻璃的非晶结构，能建立起微结构障碍来阻止裂纹扩展。在这个新研究中，合作制备的纯玻璃材料其独特的化学成分产生了作用，通过在裂缝产生前形成多重剪切带来促进广泛塑性。

Ritchie说他们现在的工作是通过改变成分尽量扩展这种方法，以引入优于其他金属玻璃脆性的广泛可塑性。金属钯的添加给非晶材料提供了一个不寻常的屏蔽开放式裂纹的广泛塑料能力。比起现有已知最强韧材料，这都是一个在韧性上的促进，除过损伤可容忍之外，一般强度与韧性很难两全，这个研究超出了现有已知材料的最高韧性和强度基准范围。

新型金属玻璃的初始样品是在其中引入直径约一毫米玻璃棒那样的钯、硅和锗的微合金。银的添加使加州理工的研究人员将玻璃杆厚度扩大到六毫米。 金属玻璃尺寸大小受液态金属急冷或“淬火”至最后的非晶结构需要所限。经验法则是，为了得到金属玻璃，至少需要五大要素，这样当材料淬火时，就不知道可形成什么样的晶体结构或者非晶缺陷，Ritchie说传统上强度和韧性是材料相互排斥的属性，如此以来这些金属玻璃很有创意，逆向创造推动发展趋势使得损伤可容度这件事对结构金属来说不难。

金属玻璃由来自美国国家科学基金会资助的加州理工实验室共同作者Demetriou制备，美国能源部（DOE）资助的伯克利实验室的Ritchie团队测试与表征的，劳伦斯伯克利国家实验室是美国能源部（DOE）的国家实验室，它旨在解决世界包括可持续能源、气候变化、人类健康、更深入了解宇宙力量等问题的最紧要科学挑战。

来源：http://www.jmonline.org/news/newsAction!showNew.action?news.id=289

硬而坚韧的新型复合材料之链接：硬而坚韧的新型复合材料——金属玻璃.pdf

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