正文 第10章 材料工程放異彩(2)(3 / 3)

使用較多的是一種複合型防振合金,它們同複合材料一樣有兩種不同的組織成分,一種是高韌性的基體;另一種是嵌在基體中的柔軟顆粒。在兩種不同成分的交界麵上很容易產生變形,這就能像海綿吸水一樣吸收和消耗外部的振動能,達到消除噪音的目的,對噪音一般能降低3~40分貝。

金屬玻璃金屬玻璃又稱非晶態合金,它既有金屬和玻璃的優點,又克服了它們各自的弊病。如玻璃易碎,沒有延展性。金屬玻璃的強度卻高於鋼,硬度超過高硬工具鋼,且具有一定的韌性和剛性,所以,人們讚揚金屬玻璃為“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”。

金屬和玻璃從宏觀特性到微觀結構從不“搭界”。那麼,又是什麼手段使金屬變成“玻璃”的呢?這是把高溫下熔化了的液體金屬,以極快的速度冷卻,使金屬原子來不及按它的常規編排結晶,還處於不整齊、雜亂無章的狀態便被“凍結”了,因此,出現了類似玻璃的奇異特性。

製造金屬玻璃的關鍵是保持極高的冷卻速度,要在千分之一秒的時間內,把熔化的金屬材料冷卻為固體,這樣的冷卻速度等於在一秒鍾內把溫度突然降低一百萬攝氏度。由於冷卻速度太快了,熔化的合金液體來不及調整為晶體結構,突然被凝固成毫無秩序的固態。幾乎所有的金屬都可通過快速凝固的方式成為金屬玻璃,人們最初使用的是一種金矽合金。現在常常用鐵作為主要材料,因為它的價格比較便宜,而且電磁性能也比較好。1974年美國首先製成的商品材料“金屬玻璃”(Metglas)和1975年日本製成的商品材料“非晶態金屬”(Amomet)都是鐵基合金。

金屬玻璃是20世紀70年代剛剛走出實驗室成為商品的一種新材料。人類在使用金屬幾千年漫長的歲月中,所遇到的金屬是晶體的金屬和合金,它們均具有排列整齊的原子結構。而在它的排列缺陷的地方會被拉斷,金屬玻璃的原子排序是無序的,它沒有特殊的薄弱環節。因此金屬玻璃的抗斷裂強度比一般金屬材料高得多,可達350千克每平方毫米。更可貴的是,在達到如此高強度的同時,這種材料還保持難以令人想象的韌性和塑性,所以可用來製造高壓器和火箭等關鍵部位的零件。

由於金屬玻璃沒有金屬那樣的晶粒邊界,腐蝕劑無空子可鑽,所以從根本上解決了金屬晶界的腐蝕問題,能經受多種化學溶液的腐蝕,有良好的化學穩定性。它的抗腐蝕性要比不鏽鋼強100倍。金屬玻璃還具有很好的超導性和抗核輻射能力等難得的優良性能。人造衛星上的太陽能電池是單晶矽電池,這種電池價格昂貴,如果將矽製成非晶矽(即矽金屬玻璃)其價格就便宜多了,太陽能電池也就能更好地推廣和普及。

現在真正能發揮非晶態合金特長的是電磁器件。非晶態鐵合金是極好的軟磁材料,容易磁化和退磁。與普通結晶磁性材料相比,它具有導磁率高、損耗小、電阻率大等優點。用矽鋼和金屬玻璃分別製成15千伏變壓器的對比試驗表明:磁芯損耗分別為322瓦和180瓦,金屬玻璃可使損失減少約一半。

如果電動機也采用金屬玻璃,節能的效果將更顯著。易於磁化和高硬度結合的特性,使金屬玻璃有效地用於放大器、開關、記憶元件、換能器等器件上。

日本TOK公司用非晶態合金製成的錄音機磁頭,由於磁畸變極小而改善了音質。

金屬玻璃是直接從熔融狀態製成的,因而避免了費用高、周期長、耗能大的加工過程,它的成本僅為不鏽鋼製品的五分之一。含鉻金層玻璃由於耐腐蝕和點蝕,特別是在氯化物和硫酸鹽中的抗腐蝕性大大超過不鏽鋼,獲得了“超不鏽鋼”的名稱,可以用於海洋和醫學等方麵。例如製造海上軍用飛機電纜、魚雷、化學濾器、反應容器、刮胡刀及手術刀等。

金屬玻璃的高強度也引起了工程技術人員的注意,由於目前生產的各種元件尺寸不大,所以要通過編織和鋪砌才能製成結構元件。這些用途包括高強度控製電纜、電纜和光纜護套、壓力容器、儲能飛機、機械傳送帶、輪胎簾布等。

用金屬玻璃代替硼纖維和碳纖維製造複合材料,會進一步提高複合材料的適應性。硼纖維和碳纖複合材料的安裝孔附近易產生裂紋,而金屬玻璃在具有很高強度(232~372千克每平方毫米)的情況下,仍保持金屬塑料變形的能力,因此有利於阻止裂紋的產生和擴展。目前正在研究將金屬玻璃纖維用於飛機構架和發動機元件。

金屬玻璃已引起世界各國的普遍重視,近年來已獲得了長足的進展。但要獲得每秒攝氏一百萬度的冷卻速度卻是十分艱難的,而且在這麼快的冷卻速度下所獲得的金屬往往是很薄的,因而在應用上受到一定的限製,這些問題尚需要進一步解決。