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金属塑料的研究进展

发表时间:2019-03-29 18:57
引言


2005年5月,中国科学院物理研究所的汪卫华团队在《Phys. Rev. Lett.》上报道了一种全新的金属材料,这种材料具有和铝镁合金一样的室温强度,但是当温度升高到开水温度, 它就像塑料一样展现出令人惊奇的拉伸、压缩、弯曲、压印等各种加工变形行为。正是因为兼有一般金属的性质和塑料一样的优异加工性能,这种材料被称之为“金属塑料”。


金属塑料材料曝光后, 英国《Nature》杂志以“变软” (going soft)为标题在“研究亮点”(highlight)栏目里报道了这一研究成果。同时, 美国《Phys.Rev. Focus》杂志也专题报道了金属塑料材料。这项研究成果还入选了2005 年中国基础研究十大进展,以及中国稀土科技十大新闻。


目前,金属塑料作为一类新型材料已经获得了进一步的发展,多个合金体系都发现了金属塑料材料。同时, 关于金属塑料材料的结构和性能研究也获得了新的研究进展。


金属塑料材料的设计思想与规则


20世纪80年代末以来, 在日本东北大学金属研究所Inoue和美国加州理工大学Johnson两位著名教授的推动下,块体非晶合金获得了蓬勃发展,开发出了一系列大块非晶合金新成分体系,包括Mg基、Zr基、Cu基和Fe基等非晶形成体系。非晶合金在多方面具有其相应晶态合金所不具备的优异的力学、物理化学等特性,因而成为科学家和工业界都高度关注的研究对象。


目前块体非晶合金已经在通讯产品(手机)、体育用品、航空航天、国防等领域取得了进展,开始进入市场化的关键阶段。国内也已经有若干上市公司从事块体非晶合金的产品研发和装备生产。


块体非晶合金除了具有优良的力学、物理化学等性能外,它还具有一个非常独特的性能,即在温度升高时,它会进入一个新的形态,即过冷液体状态。 块体非晶由于具有高的稳定性,一般都有比较宽的过冷液体区间。过冷液体区间的宽度定义为晶化温度(Tx)和玻璃转变温度(Tg)之间的差值∆Tx(=Tx-Tg)。块体金属玻璃一般具有较宽的∆Tx,通常达到50 K以上。利用过冷液相区的黏流态特性,可以通过模锻和挤压等塑性成型技术将块体金属玻璃加工成精密零件。


人类早在1000多年前就掌握了吹玻璃的工艺,这正是将玻璃加热到高温下的过冷液体区间(利用其黏度低、流动性好的特性)进行塑性变形的工艺。




聚合物玻璃同样具有非常优异的变形性能,它还有一个更加常用的名称—塑料。



聚合物塑料就是一类低Tg的非晶材料,其Tg点通常在室温附近,有的甚至低于室温。Tg是玻璃材料的最重要的性能参数和指标之一,它除了和材料的强度有关,还直接决定了玻璃材料的使用温度以及变形温度。




考察金属玻璃与聚合物塑料的Tg和强度,典型的块体金属玻璃比如Mg基、CuZr基、Fe基、Ti基、LaAl基、Pd基、Co基等都具有比聚合物塑料更高的Tg和强度。


在聚合物塑料和块体金属玻璃之间存在一个隔开的区间,这正是金属塑料材料最初的设计思想:即开发位于这个独特区间的非晶合金新材料,这种材料具有和塑料一样低的Tg,同时也具有典型的金属材料的高强度。


Ce基块体非晶合金被称之为金属塑料,是第一个被发现的金属塑料材料。由于它具有和塑料玻璃一样低的Tg以及和塑料类似的优异变形能力,正好位于图中所示的金属塑料材料区间。





金属塑料的微观结构特征


作者以 Ce基非晶金属塑料材料为例来介绍其微观结构研究的结果,这项工作同时也说明在Ce基非晶中存在着排列紧密的类二十面体的原子团簇结构。


2017年,通过正电子湮灭技术,实验测量了Ce70GaxCu30−x(6≤x≤13) 非晶合金中的空位结构。因为该技术测量的不是直接的原子排列结构,而是原子排列的空位。实验结果说明Ce基非晶中存在复杂的局域原子排列结构,原因就是Ce原子容易和其他的原子相互作用产生复杂的电子结构。


金属塑料的物理化学特性


Ce基金属塑料,目前已经有的研究结果表明其具有独特的高压以及低温物理性能。CaLi基金属塑料具有高的比强度和生物相容性。Sr基金属塑料在水中表现出明显的降解性能,并且降解速度通过元素添加可以调控。Zn基金属塑料具有良好的水环境中的抗腐蚀能力。虽然金属塑料材料有共同的特点(比如低Tg和优良变形能力), 但是它们各自表现出十分独特的物理化学性能,这和不同体系的组成元素(特别是基体组元)有关。


金属塑料的潜在应用


Ce基金属塑料因为其低的变形温度和变形压力,对于微塑性成型非常有利。有学者在Ce68Al10Cu20Co2和Ce70Al10Cu20样品表面上成功进行了微米级塑性成型加工,实验结果说明Ce基金属塑料具有良好的成型和充型能力,并且样品的强度也足够高,可以在脱模中保持形状不变。


2015年, 刘任涛等利用金属塑料,采用热塑性挤压法制造出了毫米级Ce70Ga8.5Cu18.5Ni3非晶合金微小齿轮。




图中展示的是通过热塑性得到的非晶微小齿轮,由(a)和(b)可以很明显地看出,得到的微小齿轮的轮廓清晰完整,并且尺寸精确,说明该金属玻璃在过冷液相区具有良好的充型能力,同时也说明样品的强度足够高;(c)是微小齿轮的XRD衍射图谱;具有明显的馒头状衍射峰,并且没有很尖锐的晶化峰,说明齿轮是完全非晶态。这些结果证明Ce基金属塑料可以作为一种优良的微纳米器件成型制备材料。


总结与展望


金属塑料作为Tg靠近室温的典型非晶体系,它为非晶材料在靠近Tg温度范围的稳定性、结构、动力学等各方面的深入研究提供了很好的模型材料。


金属塑料除了在微纳米加工与器件方面有应用潜力外,在其他方面的应用还需要进一步挖掘。此外,金属塑料这类材料虽然是从非晶合金中首先发现和命名的,但是在其他的材料中是否也有类似特点的材料,仍值得继续研究和探索。


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