一
基础概念和分类
“金属玻璃”，又称非晶态合金。是一种采用现代快速凝固冶金技术合成，并兼有一般金属和玻璃优异的力学、物理和化学性能的新型合金材料。“金属玻璃”一词中的“金属”指的是材料是由金属原材料熔炼而成；而“玻璃”指这种材料的结构是一种玻璃态结构，并不是我们常规理解和常见的“金属”和“玻璃”。
金属与玻璃的最大差异在于它们的凝固过程及内部结构。金属在液态冷却至固态时，具有明确的凝固点，其原子会按照特定规律排列形成晶体结构。相反，玻璃从液态转变为固态的过程是连续的，没有明显的凝固点，其内部原子排列无序且紊乱，因此被视为非晶体材料。而“非晶态合金”，即所谓的“金属玻璃”，是通过将熔融的金属液体迅速冷却，使其发生“玻璃化转变”而得到的“非晶态固体”。
金属玻璃可以细分为多种类型，比较常见的有以下几种。
这是较早开发的一类金属玻璃，主要含有铜、锌、铝等元素。它具有较高的强度、良好的塑性和韧性，以及优异的导电性和导热性。
这类金属玻璃以铁为主要成分，常加入其他元素如磷、碳、硼等。它具有高强度、高硬度、良好的耐磨性和耐腐蚀性，广泛应用于航空航天、汽车等领域。
主要包括金、银等贵金属元素。这类金属玻璃具有优异的电学性能和光学性能，常用于制造高性能的电子元件和光学器件。
此外，还有一些特殊用途的金属玻璃，如高温金属玻璃、超导金属玻璃等。这些金属玻璃具有特殊的物理和化学性质，适用于高温、超导等特殊环境的应用。
二
性能特点
由于具有独特的无序原子结构，与传统晶态合金材料相比，金属玻璃在多方面具有独特的性能特点。
物理性能
高强度与高硬度：金属玻璃具有很高的抗拉强度、硬度、断裂强度和弹性模量等，这些性能都比晶态合金强得多。例如，拉丝后纤维化的非晶态铁钽硅硼合金线材，拉伸强度高达400公斤每平方毫米，为钢琴丝的1.4倍，为一般钢丝的10倍。
高耐腐蚀性：金属玻璃为非晶态结构，显微组织均匀，不含晶界、位错等缺陷，这使得腐蚀金属的液体“无缝可钻”，因此具有高度抗腐蚀性。
良好的耐热性：金属玻璃能承受1000℃以上的温度，其熔点高达1200℃，能够抵抗高温环境。
优越的磁学性能：金属玻璃是一种优异的磁性材料，具有高饱和磁感应、低铁损等优点。
机械性能
抗弯性与抗扭性强：金属玻璃具有非常强的抗弯性和抗扭性，不易折断。
抗压性与抗冲击性能好：金属玻璃能够承受较大的压力和冲击，不易破损。
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三
发展历史（诞生原因）
金属玻璃的诞生，源于材料科学领域的发展研究和深入探索。
1
科学研究的推动
金属液体过冷现象的发现：20世纪四十年代，科学家们通过实验发现了金属液体的过冷现象，即金属熔体可以被冷却到熔点以下几十度甚至上百度而不发生晶化。这一现象为金属玻璃的诞生提供了理论基础。
金属凝固形核理论的发展：随着金属凝固形核理论的深入研究，科学家们意识到，通过抑制金属熔体在冷却过程中的形核，可以得到非晶态结构的材料。这为金属玻璃的制备提供了理论指导。
2
制备技术的突破
气相沉积法的应用：1934年，德国科学家Kramer首次采用气相沉积法制备出了非晶薄膜，这是金属玻璃研究的起点。
急冷技术的发明：1960年，美国加州理工学院的Klement和Duwez等人发明了采用喷枪极冷液态金属的快淬技术，使得液态金属的冷却速率大大提高，从而成功制备出了金属玻璃。这一成果被公认是通过人工合成方法得到真正意义上金属玻璃的开始。
轧辊法制备：1969年，Pond等人利用轧辊法制备了长达十几米的非晶薄带，这种制备方法也成为后人制备金属玻璃的重要方法之一。
随后几十年里，金属玻璃的研究相继取得进展，制备工艺不断改进，性能不断提升。
四
制备工艺
金属玻璃的制备工艺根据其成分和所需性能的不同而有所差异。以下是一些常见的金属玻璃制备工艺。
快速冷却法是制备金属玻璃最常用的方法之一，其核心在于通过快速冷却熔体来抑制晶体的形成，从而获得非晶态结构。
水淬法
水淬法是比较常用的大块金属玻璃制备方法。
原理：将原料放置在石英试管中，加热熔化后迅速投入冷却水中，利用水的快速冷却作用使熔体凝固成非晶态结构。
特点：操作相对简单，但制备出的金属玻璃中可能存在较多的缺陷，如气孔等。
电弧熔炼快淬法
原理：在真空或惰性气体保护下，利用电弧炉将合金原料熔炼成均匀的熔体，然后通过快速冷却装置（如高速旋转的冷却辊）将熔体迅速冷却成非晶态结构。
电弧熔炼设备
特点：制备效率高，能够制备出较大尺寸的金属玻璃样品，且成分和微观结构可控。
金属模铸造法
步骤：将熔融的合金直接浇入金属模具中，利用金属模具的高导热性实现快速冷却。根据冷却速率和合金成分的不同，可以制备出不同尺寸和形状的金属玻璃。
特点：能够制备出较大体积的金属玻璃，满足工业应用的需求，但受限于金属模具的冷却速率，所制备的金属玻璃尺寸仍有一定限制。
随着科技的发展，一些新型的金属玻璃制备工艺也不断涌现。在选择制备工艺时，需要根据具体的合金成分、所需的性能以及生产条件等因素进行综合考虑。
激光熔炼与快淬技术
利用激光束作为热源进行熔炼，并通过快速冷却制备金属玻璃。这种方法具有高精度和高效率的特点，适用于制备小尺寸且对性能要求较高的金属玻璃制品。
离子注入法
通过离子注入的方式将非晶态合金元素注入基体材料中，形成金属玻璃复合层。这种方法可以制备出具有优异力学性能和耐腐蚀性的金属玻璃制品，但工艺复杂且成本较高。
下期大课堂将继续科普金属玻璃的应用领域与未来发展，敬请期待~如果您对其他玻璃知识感兴趣，同样欢迎您给我们建议留言！
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