堅固耐用又廉價 新技術製作金屬玻璃

比鋼或鈦還強，並且一樣硬，金屬玻璃是製作從手機到飛機製件的一種理想材料。現在，美國加州理工大學的研究人員已經開發出一種新技術，使用與生產塑料件相同的廉價生產過程製作金屬玻璃製件。有了這個新方法，他們可以每秒以一百萬度高溫加熱一塊金屬玻璃，然後在短短幾毫秒內把它改造成任何形狀。

1960年由加州理工大學首次發現了金屬玻璃，後來約翰遜教授（William Johnson）領導的研究小組在90年代初以體狀（in bulk form）生產了金屬玻璃，它不像透明的窗玻璃，而是具有紊亂的玻璃原子結構的金屬。常見的玻璃是堅固耐用且永久性不易變形，但容易開裂和破碎。金屬材料往往是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，他們已經重新定義了處理金屬的過程。這是一個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(net-shape)成形的金屬製件，比塑料強硬20倍。」

用金屬玻璃材料上製作製件時，需要加熱材料，直到在大約500攝氏度時它達到玻璃相變階段，材料軟化變成粘稠液體，可以塑造和定形。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的時間發生結晶之前，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的時間形成結晶，有充足的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，一旦被加熱到粘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，製作金屬玻璃製件的過程是，首先將金屬玻璃加熱到結晶相熔點以上，一般超過1000攝氏度，然後，把熔化的金屬玻璃注入鋼模具中，在結晶之前使其冷卻。但是問題是，鋼模具通常能夠承受的溫度只有約600攝氏度，因此，模具要頻繁更換，使得製作過程相當昂貴。此外，在1000攝氏度時，液態材料流動性很好，往往發生飛濺或破裂，導致製件有缺陷。如果只將固體金屬玻璃加熱到大約500攝氏度，它能夠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，已經發生結晶了。 

因此，研究人員嚐試了新的策略：以極快速度加熱和處理金屬玻璃。約翰遜的研究小組發現，如果他們足夠快，金屬玻璃可以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，研究人員使用了一種叫做「歐姆加熱」的技術。研究人員使用短促強化的脈衝電流，在約1毫秒內用約一兆瓦的電功率發出超過1000焦耳的能量（1焦耳=1瓦x1秒），電加熱直徑為4毫米長度2厘米的金屬玻璃小棒，電熱溫度達到每秒1百萬度。約翰遜說，「我們用比之前任何人至少快一千倍的速度均勻加熱玻璃」。用大約只有半毫秒的時間達到合適的溫度，軟化的玻璃被注入模具，在以毫秒為單位的時間全部冷卻。

為了展示新方法，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裡製作，環形製品並沒有流體和氧化缺陷。此外，這個工藝過程可以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。


約翰遜說，這項新技術「快速電火花成形」，已獲得專利，正在開發商業化應用。2010年，他和他的同事成立了一家公司Glassimetal Technology，將這種塑料成型金屬玻璃製作技術商業化。研究結果發表在5月13日發行的《科學》雜誌上。