奇妙的非晶態(tài)金屬

駱昌芹

由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，材料科學(xué)已引起人們的極大關(guān)注。目前，材料科學(xué)理論上開創(chuàng)了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，并使非晶態(tài)材料由實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用的廣闊天地。

非晶態(tài)金屬為何物

金屬?gòu)膩?lái)都是晶態(tài)的，現(xiàn)在又出現(xiàn)了非晶態(tài)金屬，這就理所當(dāng)然地引起人們的重視。什么是非晶態(tài)金屬呢?要講清這個(gè)問(wèn)題，最好先說(shuō)明什么是晶態(tài)金屬。

所謂晶態(tài)金屬，就是原子之間的排列是整齊的。相反，非晶態(tài)金屬的原子排列是不整齊的，雜亂無(wú)章的。這是它們本質(zhì)的不同?？茖W(xué)家在研究客觀世界的時(shí)候，總希望迫本求源，探其本質(zhì)。因?yàn)樗麄冋J(rèn)識(shí)到，只有本質(zhì)的變化才能把科學(xué)帶人一個(gè)新境地。人類的物質(zhì)文明正是人類不斷地打開一個(gè)個(gè)新的領(lǐng)域而使世界絢麗多彩的。

非晶態(tài)金屬有何用

我們知道，日常使用的金屬材料總是在它的原子排列有缺陷的地方被拉斷，而這種缺陷對(duì)晶態(tài)材料來(lái)說(shuō)是難以避免的。所以，晶態(tài)金屬材料中存在的缺陷在某些場(chǎng)合就像定時(shí)炸彈一樣危險(xiǎn)。

例如，美國(guó)的克利夫蘭曾發(fā)生一次嚴(yán)重的液態(tài)天然氣貯罐破裂事故，造成100多人死亡，損失幾百萬(wàn)美元。又如，1943年冬，比利時(shí)剛建成不久的跨度75.4米的哈塞爾特大橋突然發(fā)出巨大開裂聲，六分鐘后整個(gè)大橋斷成三截。好端端的罐、橋?yàn)槭裁春鋈粔牧四?究其原因就是，晶態(tài)合金中存在著缺陷。它給人類財(cái)富所造成了很大的損失。

非晶態(tài)材料的原子排列是混亂的，所以它也就沒有什么特殊的薄弱環(huán)節(jié)。正是由于這種原因，非晶態(tài)金屬材料的斷裂強(qiáng)度比晶態(tài)合金高得多。例如，鐵一硼非晶態(tài)合金的斷裂強(qiáng)度為320公斤/毫米²，而高碳鋼的斷裂強(qiáng)度還不到100公斤/毫米²。

金屬材料腐蝕現(xiàn)象很常見。酸常常是從金屬表面的晶粒邊界這個(gè)“缺口”攻入金屬將其腐蝕的。這方面的事故也不少。

例如，上世紀(jì)50年代末，美國(guó)第一艘核潛艇的動(dòng)力裝置發(fā)生漏泄，影響了核潛艇的正常工作。檢查發(fā)現(xiàn)，這是由于不銹鋼熱交換器中的水含有微量氯離子，在晶態(tài)合金晶粒與晶粒之間的邊界造成腐蝕而發(fā)生的。1972年，英國(guó)的一臺(tái)叫做達(dá)姆海峽的水冷反應(yīng)堆，其蒸汽發(fā)生器的14根管子發(fā)生事故，也是由于晶粒邊界腐蝕造成的。

從本質(zhì)上講，腐蝕這一現(xiàn)象是晶態(tài)金屬材料天生的缺點(diǎn)，是不可避免的。它給人類帶來(lái)的損失和危害是巨大的。據(jù)報(bào)道，上個(gè)世紀(jì)70年代初，美、蘇兩國(guó)因設(shè)備腐蝕而損失的鋼鐵，每年達(dá)4000萬(wàn)噸。英國(guó)由于金屬腐蝕，每90秒鐘就要損失一噸鋼材。其損失之大，真是觸目驚心。

非晶態(tài)金屬材料的原子排列是雜亂無(wú)章的，沒有晶粒邊界，使腐蝕劑無(wú)隙可乘，這就從根本上解決了腐蝕問(wèn)題。例如，有的不銹鋼在6％濃度的三氯化鐵溶液中，每年以18毫米的速度被腐蝕，而非晶態(tài)合金在同樣的情況下一點(diǎn)也不被腐蝕?？梢韵胍姡绻蔷B(tài)材料的研究已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中達(dá)到了完善的程度，完全解決了腐蝕問(wèn)題，那無(wú)疑給人類增加了巨大的財(cái)富。

非晶態(tài)金屬的奇異性能，還把它引進(jìn)超導(dǎo)材料的行列里。金屬是導(dǎo)電體，導(dǎo)體中有電阻。電流在有電阻的導(dǎo)線中流過(guò)，就會(huì)損失一部分能量。如果有一種物質(zhì)，它的電阻趨近于零，那么，只要用很小的電壓就能獲得很大的電流，而且這個(gè)電流由于在沒有電阻的導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)，就沒有能量損耗，電流也就永流不止。這就是超導(dǎo)現(xiàn)象。

目前，有些物質(zhì)處于極低溫度時(shí)，有電阻趨于零的現(xiàn)象發(fā)生。我們把物質(zhì)開始發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的溫度叫做超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。就超導(dǎo)這個(gè)課題的研究情況來(lái)看，“極低溫度”是超導(dǎo)材料發(fā)展的最大困難之一。要想獲得極低溫，無(wú)論在設(shè)備上還是在技術(shù)上都是極其困難的，所以科學(xué)家都在為提高超導(dǎo)體盼使用溫度而努力工作。不要說(shuō)把超導(dǎo)體提高到室溫下使用，就是稍微提高一點(diǎn)，也是對(duì)超導(dǎo)材料發(fā)展的貢獻(xiàn)。

現(xiàn)在，非晶態(tài)材料的出現(xiàn)為解決這個(gè)難題提供了有利條件。例如，金屬鎵處于晶態(tài)時(shí)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為1.9K；而它變成非晶態(tài)時(shí)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度一下子提離到8.4K。這是一個(gè)了不起的研究成果，它預(yù)示著人類在認(rèn)識(shí)自然方面又前進(jìn)了一步。

在能源日益減少的情況下，如何開發(fā)利用能源已是各國(guó)普遍關(guān)心的問(wèn)題。非晶態(tài)材料的出現(xiàn)，也為開發(fā)利用能源助一臂之力。

參觀過(guò)科學(xué)儀器展覽的人，往往會(huì)看到在一臺(tái)半導(dǎo)體收音機(jī)旁放著兩件東西，一件是單晶硅光電池，另一件是臺(tái)燈。

單晶硅光電池與半導(dǎo)體收音機(jī)相連。當(dāng)臺(tái)燈打開，燈泡一亮，半導(dǎo)體收音機(jī)就響了。臺(tái)燈一關(guān)，聲音就沒有了。這是為什么呢?這是由于光線是能量，這種能量叫做光能，它照在單晶硅光電池上，光電池就把光能轉(zhuǎn)變成電能，提供給收音機(jī)使用。

在人造衛(wèi)星上都有兩三個(gè)“翅膀”，那就是單晶硅光電池組合板，它可以將太陽(yáng)能變成電能，供衛(wèi)星使用。這種產(chǎn)生電能的簡(jiǎn)單辦法，為什么不能推而廣之呢?主要是由于單晶硅太陽(yáng)電池價(jià)格昂貴。如果將硅制成非晶硅，它也能將光能轉(zhuǎn)變成電能，那價(jià)格就便宜多了，適于民用。另外，它不像單品硅那樣是一小塊一小塊的，可以制成大面積的非晶硅。這在處處感到能源不足的今天，是個(gè)值得重視的課題。

非晶態(tài)金屬如何產(chǎn)生

由晶態(tài)合金變成非晶態(tài)合金，其制作方法是，將熔融的合金通過(guò)一個(gè)噴嘴，噴到高速旋轉(zhuǎn)的光滑銅質(zhì)輥面上，速冷而成。根據(jù)要求，它的冷卻速度必須大于1×1000000℃/秒，即每秒一百萬(wàn)度的冷卻速度，才能獲得非晶態(tài)材料。

這樣大得驚人的冷卻速度，談何容易?而且在這么快的冷卻速度下，所獲得的非晶態(tài)合金是很薄的。很薄的非晶態(tài)合金在應(yīng)用范圍上就會(huì)受到限制。另外，在急劇冷卻條件下形成的材料，往往處于一種亞穩(wěn)定狀態(tài)，不宜在高溫下使用。這些問(wèn)題都需要科學(xué)家繼續(xù)研究解決，使它變?yōu)橐环N真正嶄新的材料。