对于一些敏感脆弱的人我们总会称之为“玻璃心”。所以对于人来说，要少一些玻璃心，变得坚强和坚韧。我们生活中的金属给人的印象都是强度高，硬度高，韧性高，它们是很多构件的“主心骨”，如果有一天连非常强的金属们都变得“玻璃心”了，生活会变得怎样呢？

在思考这个话题前，首先要弄清楚一个问题，金属怎么变得玻璃心？

宏观的固体材料是由大量的微观粒子（原子、分子或者离子）凝聚在一起形成的，我们就按照固体材料中微观粒子的排列方式将材料分成两大类：粒子排列十分规则的晶态物质和粒子排列不具有长程有序性的非晶物质（也就是常说的玻璃态物质）。我们日常见到的材料如塑料、玻璃、沥青、琥珀、橡胶等都是玻璃态固体，也就是说这些材料的粒子排布没有周期性。

随着现代冶金技术的发展，也就是热合金熔体快速冷却技术的不断成熟，这项技术可以在室温下保留合金的非平衡态结构，让金属熔体中无序排布的原子来不及扩散运动到平衡态位置，最终得到的固体原子构型也呈现出无序排布的特点。这种超高冷却速度得到的合金就是具有玻璃一样原子无序排布的非晶合金，也成为金属玻璃。

这种方法得到的金属玻璃在外观上具有金属一样的光泽，看不出和常规的金属有明显的区别，那么这一类具有“玻璃心”的金属材料在现实生活中有哪些优越的性能？

01

会变得更强更优

传统的晶体金属的变形是依靠里面周期性排列的原子中产生缺陷来实现的，而金属玻璃由于没有晶体中的变形缺陷，因而具有很高的强度和硬度。所以高强度是金属玻璃最显著和独特的力学特征之一。

各种合金成分玻璃化之后硬度都显著高于其晶态合金，并且钴基块体金属玻璃的强度创造了现今金属材料强度的最高纪录，它的强度是普通钢材的十五倍。那生活中常用的钢铁来说，铁基金属玻璃的断裂强度是一般结构钢的数倍，是一种高强金属材料。

由于金属玻璃具有传统不锈钢所无法达到的强度和耐磨性，以及液体一样的加工精度，一些锆基和钛基等成分的非晶合金已经用在了在手术刀片上，可以达到陶瓷级别的锋利。

近来发现的由铱、镍、钽三种元素组成的金属玻璃，由于金属玻璃独特的无序结构特点，具备极强的耐蚀和抗氧化能力。这种金属玻璃可在王水中浸泡数月而不被腐蚀，而且在常规金属难以耐受的高温环境中也难以被氧化。利用这类新型金属玻璃制成的零部件不仅能在高温条件下服役，而且能在非常恶劣环境中使用，所以可以应用到普通金属难以触及的领域。

02

会变得更五彩缤纷

我们对物品颜色的需要是多元多样的，在商品生产中对于颜色的调节和控制具有重要意义。金属合金表面着色技术主要利用电化学沉积来进行，这种工艺通过改变表面氧化层厚度所决定的可见光干涉来使得金属表面呈现不同的颜色。但是对于这种工艺来说，因为电化学沉积的氧化层的厚度在产品的使用过程中是几乎不会改变的，所以这项技术所实现的产品颜色在使用过程中也是固定的，也就是说一次加工只能实现一种颜色。

但是最近研究表明，有一种由稀土元素铈作为主要组元的金属玻璃。这种金属玻璃由于铈元素具有一定的化学活性，所以在室温下有高的氧化速率，再加上金属玻璃中均匀的原子种类分布，使得非晶合金的表面氧化层厚度均匀。通过一定的合金化方法，研究人员实现了金属材料在自然条件下的随时间变色。

03

会变得更平易近人

金属玻璃因为其原子排布无序，没有晶体材料周期性原子晶格的限制，会表现出非常高的弹性极限。金属玻璃薄膜在仿生学中有重要应用，比如一种金属玻璃皮肤是通过将锆基金属玻璃薄膜直接生长在柔性塑料衬底上得到的。金属玻璃皮肤柔性好，很容易弯曲超过180度，这是常规金属难以实现的性能。通过改变金属玻璃薄膜的厚度，金属玻璃皮肤人眼视觉上可以变“透明”。

金属玻璃皮肤同时保留了金属材料高电导率的特点，而且电阻与应变之间有完美的线性关系，这种线性关系稳定性非常好。上面的这些特点使得金属玻璃皮肤可以用来灵敏地监测手指弯曲程度，在医学和仿生学等方向有很大应用前景。

金属玻璃目前待解决的问题

变形和脆性到延性转变的影响

在屈服时，由于少数主要剪切带的形成和传播导致高度局部的不均匀变形，金属玻璃的塑性一般较差。通过不同的热机械加工可以提高金属玻璃的延展性。与晶体金属和合金类似，制造或加工历史的变化可以赋予金属玻璃广泛的亚稳态。对于给定的金属玻璃，其加工历史的特定变化都可以在一定程度上促进均匀塑性流动，从而诱导脆性向延性转变。这种变形模式的转变通常被归因于金属玻璃的所谓“年轻化”。

尽管其微观结构起源在很大程度上仍然难以捉摸，在经典理论中金属玻璃的这种历史依赖行为主要归因于具有不同原子堆积密度的不同亚稳态的形成，从而产生了力学响应。以往的研究仅通过衍射峰分析给出了块体金属玻璃的统计平均体积信息，不能代表原子构型及其演化的本质差异。在原子尺度上金属玻璃由多种结构组成，包括短程序和中程序。它们的空间分布和动态演化应该与金属玻璃的变形直接相关，但尚未阐明。特别是短程序和中程序的差异及其动态演变，对金属玻璃的变形和脆性到延性转变的影响仍然是一个尚未解决的问题。

金属玻璃的应用前景

社会的发展和科技的进步对各种特殊性能新材料的需求越来越多，金属玻璃所具有的多种独特性能将找到更多的用武之地，其应用领域将会不断扩展，与之相关的新部件、新产品将不断涌现，对金属玻璃的需求量也将会持续扩大。

软磁应用

金属玻璃及其衍生的纳米晶产品主要应用于变压器、智能电网中的智能电表、太阳能并网发电的光伏逆变器和新能源汽车等。金属玻璃研发的新产品主要有第3代高性能纳米晶薄带(带厚低于22 um)、高端共模电感铁芯、高频功率变压器铁芯、C型铁芯和高效电机非晶定子铁芯。金属玻璃材料应用的另一个新兴领域是非晶高效电机。非晶电机具有高扭矩密度、高效率、小体积和大功率等特点，因而开发非晶高效电机对我国工业电机系统有着巨大的节能意义。目前国际上采用金属玻璃定子铁芯开发研制的非晶高效电机，其运行效率可达到95.0%，具有巨大的节能潜力。

医学应用

传统的晶态医用合金还面临一些挑战，例如低强度、高弹性模量、低的耐磨性、容易发生缝隙腐蚀、点蚀以及应力腐蚀开裂和高循环疲劳失效，X射线或磁共振成像不相容性等。生物医用金属玻璃，具有生物玻璃和生物金属的组合特性，高强度和低弹性模量的特点使其在理论上非常适合生物医用。特别是其弹性极限为2%，高于骨骼的弹性极限(1%)，因而金属玻璃比现有的医用材料应力分布更加均匀，可以减少应力集中和应力遮挡效应，从而实现患者更快的康复愈合。在过去的几十年中，一些应用于生物医学的特殊非晶合金被开发出来，并作为生物材料开展了体外和体内试验以及可行性评估。应用领域包括整形外科、心血管、植入物和填充物等。

电子零部件

由于金属玻璃的优良成型特性，其最终成型产品在尺寸精度和重复性方面具有独特的优势，可以满足手机折叠屏和手机人脸识别支架等微型复杂零部件的开发和应用。2019年，折叠式金属玻璃手机饺链正式进入市场。目前采用Zr基块体金属玻璃材料制成的手机饺链已经在华为、Vivo和Royole等多个品牌的可折叠手机上得到实际应用。与此同时，伴随着人脸识别解锁技术的热潮，智能手机市场对人脸识别的需求也越来越高。块体非晶合金端面内径支架的几何公差为±0.03 mm，成型后不会出现塑性变形，平面度可以确保在±0.04 mm以下，达到了尺寸精度和平整度的要求，因此已经成为业界的宠儿。

体育用品

得益于金属玻璃优异的能量传递特性，其在体育用品方面也有着非常好的应用前景。例如，采用非晶合金制成的高尔夫球头材料，可以实现99%能量的传递，远高于传统不锈钢和钛合金制品。同时，采用金属玻璃制作的滑雪板、棒球棒、滑冰用品、网球拍等产品已经逐渐开始商业化。

看完变得“玻璃心”的金属——金属玻璃，是不是感觉一种造福人类的先进材料正在慢慢地发展成熟呢？

金属玻璃不仅是众多非晶材料中的新成员，也是一种新型金属材料。这种合金被称之为金属玻璃，但不是因为它像玻璃那样脆而透明，而是因为组成这种金属的内部原子排列像玻璃一样是长程无序的，是一种玻璃态结构。本文介绍的金属玻璃的应用仅仅是冰山一角，金属玻璃重要的价值正在被科研工作者逐渐挖掘，期待将来金属玻璃带给我们更多惊喜吧！

文章来源： 中国物理学会期刊网，科普中国，材料material