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| 我国物理学家发明金属塑料 金属的性能外观如塑料易加工成型 | ||||||||||
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| 用人看才能，选材挑属性。最近，中科院物理所极端条件物理重点实验室汪卫华研究组张博等人研制出一种新型非晶合金材料——铈基金属塑料。兼有聚合物塑料和金属特点的这一新型材料，在很多领域都具有潜在的应用和研究价值。 据汪卫华研究员介绍，从物质结构上来说，根据原子、分子或分子链排列的有序或无序，固体物质至少有晶态结构与非晶态结构两大类。而从熔融态冷却形成非晶态结构的固体物质，通常被特指为玻璃态或玻璃。为从化学组成上区分不同的类型，“玻璃”又分透明玻璃杯常用的氧化物玻璃、塑性成型工业必需的聚合物玻璃(即塑料)等。20世纪60年代初出现的金属玻璃，因其优越的机械、力学、电学等性能受到科学家的高度重视。 工艺品大师经常把玻璃烧软，然后吹制成造型复杂的精美工艺品，其形状变化之精妙往往让现场欣赏的人备感神奇。这固然源自大师们精湛的技术，但也绝少不了氧化物或聚合物玻璃本身超强的可加工性。汪卫华介绍，玻璃最大的好处在于它高温时出现的软化特性，即在“某个温度”(玻璃转变温度，即Tg)以上“非常宽的温度范围”(过冷液相区，?驻Tx)内，能够像揉面团那样进行长时间的无限度变形加工。为利于加工成型，过冷液相区越宽越好，在其范围内停留的时间越长越好。 作为一种广泛应用的有机材料，塑料自100多年前问世起，因其非常低的玻璃转变温度、稳定的过冷液相区而具有优良的玻璃形成能力，加工条件宽松、制造成本低廉。与之相对，金属材料虽然性能优异，但由于玻璃形成能力非常低，尺寸一直限制在微米级别。20世纪90年代，非晶合金——又被称作金属玻璃——的临界尺寸突破毫米量级，大大拓展了非晶合金的应用范围。然而，过去十几年开发的大块非晶材料，玻璃转变温度(300℃～700℃)仍远高于通常聚合物塑料，为塑性加工和过冷液态的研究带来很大困难。 为降低金属玻璃的加工条件，有效拓宽其应用空间，汪卫华研究组在对非晶及玻璃材料弹性性能多年研究的基础上，发展出非晶形成能力的弹性模量判据，为设计具有不同的力学性能的金属塑料提供了理论依据，为寻找具有特殊性能的新型非晶材料准备了有效的方法。进而通过努力，研制出集聚合物塑料和金属特点于一身的新型铈基金属塑料。该“塑料”以迄今为止最低、基本接近室温的玻璃转变温度(60℃～120℃)以及相当宽的过冷液相区，获得了超强的可塑性。 研究人员这样描述铈基金属塑料卓越的可塑性：它在开水中立即变软，同样能在开水中轻易完成弯曲、拉伸、压缩、复印等形变，形成各类不同的形状；当温度恢复到室温后，立刻又恢复一般金属玻璃所具有的高强度——强度堪比普通铝合金及镁合金——等优良的力学和导电性能。尤其难得的是，还能通过掺杂不同的金属来调节金属塑料的玻璃转变温度。另外，铈基金属塑料具有优异的玻璃形成能力，是少数几个可获得厘米尺寸的大块非晶体系之一。 汪卫华介绍，铈基金属塑料可使很多复杂工件的加工制造变得更容易、更便宜，在汽车、军工、航空等领域有潜在的应用价值；同时是进行纳米、微米加工和复写的优良材料。在基础研究方面，它为人类深入认识金属玻璃的形性规律及过冷液体研究提供了理想的模型材料。特别是，研究提出的“金属塑料”概念，可能引发人们更多的探索，将聚合物塑料、金属这两类最广泛使用的材料更有机地结合起来，研制出更多类似于有机导体、金属塑料的新材料。 据悉，该研究在国家自然科学基金委创新群体项目、国家自然科学基金委杰出青年基金项目、中科院及物理所的支持下完成。相关结果今年5月在美国《物理评论快报》上发表后，美国《物理评论焦点》、英国Nature杂志先后予以重点介绍，不同国家的许多物理和材料网站也相继报道了这一成果。 文章出处:科学时报 |
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