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BMGs究竟是什么？: 热度 2 zhpd55 2011-3-11 10:27; 《科技日报》 2011 年 3 月 3 日发表了王小龙撰写的《美开发出可吹塑成型的合金材料》而且“强度是普通钢材的 2 倍，加工成本像塑料一样便宜”。这是美国耶鲁大学机械工程与材料科学系简·施洛尔斯（ Jan Schroersa ， E-mail: jan.schroers@yale.edu ）领导的一个研究小组，制成了一种块体非晶合金 (BMGs) 材料，其性能能够像制作玻璃或塑料制品一样吹膜成型，且不会牺牲其原有的强度和耐久性。相关论文已在线发表在国际材料学著名期刊《今日材料》（ Materials Today ） 2011 年第 14 卷，第 1-2 合期上（ Jan Schroers, Thomas M. Hodges, Golden Kumar, Hari Raman, Anthony J. Barnes, Quoc Pham, and Theodore A. Waniuk. Thermoplastic blow molding of metals. Materials Today ， 2011, 14(1-2): 14-19. 见附件： 2011 Material today article.pdf ）。“ 科学网 ” 等多家媒体均纷纷转载。几十年来，科学家们一直试图找到或制造出这样一种材料，既能像塑料一样具有良好的可塑性和较低的加工成本，又能像钢一样具有很好的强度和耐久性。这并非不切实际的幻想，据相关数据库检索统计， BMGs 其实就是 bulk metallic glasses （块体金属玻璃）。关于 metallic glasses （金属玻璃）一词出现的历史，可以追溯到 20 世纪 50 年代末，早在 1959 年 6 月开始的二元金属 (Cu/Ag) 合金材料的研制过程中，发现 Cu 、 Ag 、 Au 与 Si 、 Ge 会形成很好的固溶体，在 Ag-Ge 合金液态迅速淬火后发现其中 Ge 的浓度可以达到约 40% ， Ge 在 Ag 中的溶解度可以从 9.6% 提高到 13.5% ；同时也制备了 Si 与金属的一些合金，其中就有 Au-Si （ Au75Si25 ）合金，大约含 Au75% 和含 Si 25% 左右，这类液态合金迅速淬火会形成非晶态，形成非常薄的金属玻璃薄片，当时是 1959 年 9 月，虽然这种意外发现的初衷并非金属玻璃的制作，但是的确得到了 metallic glasses （金属玻璃）。对其研究背景， DUWEZ P. 在 20 世纪 80 年代初的论文中有专门叙述。进入 20 世纪 60 年代， DUWEZ P. 等人合作，在《 Nature 》发表论文，报道了对于 Au-Si 合金的非晶态结构研究结果， Duwez 的工作使金属合金工作出现一个新的研究方向，使液态合金溶液急速冷却固化过程，会形成非晶态合金体。 Fe-Ni-P-B 就是首次商业化应用于变压器铁芯的金属玻璃带，主要是利用了其软磁性，可以减少铁芯损失。但是急速冷却合金的最大弊端就是形成的金属玻璃体厚度往往在几个微米的数量级，使其应用受到限制。 20 世纪 70 年代，块体金属玻璃研究的范围更广，如 Pd0.775Cu0.06Si0.165;1982 年 Turnbull 等人成功制得著名的 Pd–Ni–P BMG ，极速降温可以得到厘米数量级的块体金属玻璃锭； 20 世纪 80 年代日本东北大学（ Tohoku University ）的 Inoue 等人 , 研究了稀土元素与 Al以及 Fe 系元素的形成三元合金玻璃体，如 La–Al–Ni 和 La–Al–Cu 合金系列，制得了有几个毫米的玻璃棒和玻璃带。基于这项研究，随后的四元合金、五元合金非晶态研究相继制得，可以得到铸锭的厚度可以达到几个厘米，如 La–Al–Cu–Ni 以及 La–Al–Cu–Ni–Co 就是 BMGs 的典型代表。进入 20 世纪 90 年代， BMGs 研究不断拓展，形成了以 Zr 、 Cu 以及 Mg 为基础的多组分 BMGs 体系。 1992 年第一个商业化开发成功的 BMG Vitalloy 1 ，其元素组成为 Zr_(41)Ti_(14)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5) ，这种 BMG 材料在临界冷却温度为 1 K/s 的条件下，可以铸造出直径为 5-10 mm 的构件。近来关于在 Fe 基 BMG 中添加 Y, 最典型的就是 (Fe_( 44.3) Cr_ 5 Co_ 5 Mo_( 12.8) Mn_( 11.2) C_( 15.8) B_( 5.9) )_( 98.5) Y_( 1.5) ，这种材料在室温无磁性，具有高强度，抗腐蚀，在 3000 MPa 范围内有一定的抗压强度。 Fe 基 BMGs 材料与同样厚度的钢材相比较，应用于船舶、潜水艇比钢材更坚固，而且可以回避水下磁性传感器的探测。近期的研究重点是降低成本，简化工艺，积极推进商业化进程。 20 世纪 90 年代以来的 BMGs 研究的变化见图 1. 图 1. 1990 年以来 BMGs 研究的变化耶鲁大学材料学家介绍他们制得的材料由包括 Zr 、 Ni 、 Ti 和 Cu 在内的多种金属构成。其材料成本与高端钢材大致相同，但加工成本却和塑料一样便宜。吹塑过程在低温低压下进行，此时这种非晶合金会逐渐软化，并能像融化的塑料一样流动，但又不会像普通的金属一样出现结晶现象，由此为后续的吹塑工作带来了前所未有的便捷。为了达到并保持理想的精度和温度，吹塑过程能在真空或液体中进行。目前金属材料加工中面临的关键问题就是如何避免不必要的摩擦，而对于这种合金材料来说则完全不存在这个问题，借助吹塑工艺就可以制造出任意复杂形状的物体，最小可到纳米级。到目前为止，该团队已经用该材料制造出了无缝金属瓶、表壳等外形较为简单的物品和用于微机电系统（ MEMS ）的微型谐振器以及生物医学植入物等结构较为复杂的设备。这些材料的加工过程不到一分钟，但强度可以达到普通钢材的两倍。此外，通过吹塑法来加工块体非晶合金，该团队还将传统金属加工的三大步骤（成型、接缝、精加工）合为一步，从而免去此前繁琐、费时、耗能的加工程序，在时间上新工艺最短只需一分钟。“这可能成为金属加工的一种全新模式，”施洛尔斯说，“凭借其独特的性能，它将有望成为一种极具潜力的新型材料，就如同当年的合成塑料一样，在相关工业领域引发一场革命。” 近40余年来BMGs材料的研究变化可以见图1.1.2. 参考文献： DUWEZ P. Bulk metallic glasses -historical background. Topics in Applied Physics , 1981, 46: 19-23, DOI: 10.1007/3540104402_2. KLEMENT W., WILLENS R. H., DUWEZ POL. Non-crystalline Structure in Solidified Gold – Silicon Alloys. Nature, 1960, 187: 869-870. doi:10.1038/187869b0. ? Pampillo C.A., CHEN H. S. Comprehensive plastic deformation of a bulk metallic glass. Materials Science and Engineering, 1974, 13: 181-188. ? Bagleya B.G. and Vogela E.M. The crystallization kinetics of glassy Pd0.775Cu0.06Si0.165. Journal of Non-Crystalline Solids, 1975, 18(1): 29-32. doi:10.1016/0022-3093(75)90005-8. RAMAKRISHNA RAO B. Bulk metallic glasses: Materials of future. DRDO Science Spectrum, March 2009, pp. 212-218.; 个人分类: 新科技|20959 次阅读|2 个评论

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