美发明处理金属玻璃新方法

2011-5-17 09:03 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网近日报道,金属玻璃用途广泛,但用其制造零件时成本高昂,而且容易留下瑕疵。现在,美国科学家研发出一种名为快速火花成型的新技术,该技术能低成本、快速地制造出无瑕疵、形状各异的金属玻璃零件。

  该项目的领导人、加州理工学院工程和应用科学教授威廉姆·杰森在13日出版的《科学》杂志上表示,新方法将彻底改变冶金领域的面貌。

  1960年,加州理工学院的科学家们首先发现了金属玻璃,金属玻璃既有金属和玻璃的优点,又克服了它们各自的弊病,其强度是工业用钢铁的3倍、柔韧性是钢铁的10倍,广泛应用于航空航天和消费电子等领域。

  金属玻璃在用来制造有用的零件时,必须被加热到500摄氏度左右,达到软化并变成浓稠的液体才能铸造成型。但在浓稠的液态下,金属玻璃的原子很快会自发地“各就各位”形成晶体,避免其快速结晶是制造金属玻璃零件时面临的主要挑战。

  以前,人们主要通过将金属玻璃加热到结晶相的熔点之上(一般都超过1000摄氏度)来制造金属玻璃零件。人们将熔融的金属玻璃投入一个铁模具中,让其在结晶之前冷却。但有个问题:铁模具一般只能承受600摄氏度左右的温度,因此,需要经常替换,这就大大增加了生产成本。而且,在1000摄氏度高温下,液态金属玻璃的流动性很强,很容易泼溅,让最终获得的零件“伤痕累累”。

  杰森团队另辟蹊径,以极快的速度来加热和处理金属玻璃。他们只将固态金属玻璃加热到500摄氏度左右,使其达到流动性足以让其注入一个模具中并冷却下来的液体状态,一切都发生在金属玻璃结晶之前。

  杰森团队使用电阻加热技术来均匀且快速地加热这种材料。他们在约1微秒内,朝一根小金属玻璃棒发射一束短暂而密集的电流脉冲,给其传送1000焦耳的能量来将其加热。该电流脉冲均匀地加热了整个金属玻璃,速度是以前的1000多倍。杰森表示,半微秒内,金属玻璃就达到了合适的温度,然后,熔融状态下的金属玻璃被注入模具中并冷却,耗时仅几微秒。

  杰森团队使用这一新技术,成功地在550摄氏度、不到40微秒内将一个金属玻璃棍加热制成了一个环形物体,新环形物没有瑕疵,也没有被氧化。

  科学家能利用新技术对熔融状态下的金属玻璃展开研究,例如,通过在其结晶前加热,科学家耗时几微秒就可查看结晶过程。新技术现已被申请了专利,并正在进入商业化生产。