堅固耐用廉價 塑造金屬玻璃

【大紀元記者沙莉報道】美國加州理工大學研究人員開發出新技術，用於生產塑料件相同的廉價生產過程製作金屬玻璃製品。新方法可以每秒以100萬度高溫加熱金屬玻璃，然後在幾毫秒內將其改造成任何形狀。

加州理工大學1960年首次發現金屬玻璃，約翰遜教授領導的研究小組1990年代初以體狀生產這種玻璃。它不像透明窗玻璃，而是具有紊亂玻璃原子結構的金屬。普通玻璃堅固耐用且不易變形，但容易開裂和破碎。金屬材料則往往能抵抗裂化和脆性斷裂，但不夠堅固耐用。金屬玻璃以特殊方式結合了玻璃的力量和金屬的韌性。

研究人員表示，他們已重新定義處理金屬的過程，堪稱冶金工藝的範式轉移。約翰遜說：「我們採取經濟的塑料製造工藝，將其應用到具有優越工程特性的金屬上……我們以塑料件製作工藝製作廉價、高性能精準的近終化成形的金屬製品，比塑料強硬20倍。」

用金屬玻璃製做製品時，需要加熱材料，直到在約500攝氏度時達到玻璃相變階段，材料軟化變成黏稠液體，可塑造和定形。在這種液體狀態下，原子傾向於自由排列形成晶體。在熔融材料的原子有足夠時間發生結晶前，需要將它冷卻定型成固體玻璃，這樣通過避免結晶使材料保持其非晶結構，從而達到堅固耐用。

熔融狀態下普通窗玻璃和某些塑料需要幾分鐘到數小時或更長時間形成結晶，有充足時間來對玻璃進行塑造、定型、冷卻和固化。然而對於金屬玻璃，一旦被加熱到黏稠的液體狀態後幾乎立即發生結晶。如何避免這種快速結晶是製作金屬玻璃製件過程中的主要挑戰。

此前，製作金屬玻璃製品的過程是，首先將金屬玻璃加熱到結晶相熔點以上，一般超過1千攝氏度。然後，把熔化的金屬玻璃注入鋼模具中，在結晶前使其冷卻。但問題是，鋼模具通常能承受的溫度只有約600攝氏度。因此，模具要頻繁更換，使製作過程相當昂貴。此外，液態材料在1千攝氏度時流動性很好，往往發生飛濺或破裂，導致製品有缺陷。如果只將固體金屬玻璃加熱到約500攝氏度，它能達到與處理液態塑料相同的流動性；但熱量在金屬玻璃內擴散需要時間，等材料全部達到合適溫度時，已發生結晶。

研究人員因此嘗試新策略，以極快速度加熱和處理金屬玻璃。約翰遜的研究小組發現，如果足夠快，金屬玻璃可加熱成為足以注入模具的液體，並在發生結晶前全部冷卻。為能夠均勻迅速地加熱材料，研究人員使用「歐姆加熱」技術。研究人員使用短促強化的脈衝電流，在約1毫秒內用約1兆瓦電功率發出逾1千焦耳能量，電加熱直徑4毫米、長2釐米的金屬玻璃棒，電熱溫度達每秒100萬度。

約翰遜說：「我們用比之前任何人至少快1千倍的速度均勻加熱玻璃。」用約僅半毫秒的時間達到合適溫度，軟化的玻璃被注入模具，在以毫秒為單位的時間全部冷卻。為展示新方法，研究人員加熱一段金屬玻璃棒到約550攝氏度，然後在不到40毫秒內將它塑造成環形。儘管是在開放式空氣裏製作，環形製品並沒有流體和氧化缺陷。此外，這個工藝過程可讓研究人員在熔融狀態下研究這些材料，這是前所未有的。例如：在發生結晶之間加熱材料，研究人員可以研究毫秒時間尺度內的結晶過程本身。

約翰遜表示，這項名為「快速電火花成形」的新技術已獲得專利，正在開發商業化應用。他和同事2010年成立金屬玻璃技術公司，將這種塑料成型金屬玻璃製作技術商業化。他們的研究結果發表在5月13日出版的《科學》雜誌上。◇