金属+塑料+玻璃是啥？我们历时17年做了一个实验来研究…

金属和塑料是日常生活中广泛使用的材料现在如果你有钱有饭吃，你身边是不是有无数的金属制品

塑料制品数不胜数。

吃完了，要多学习知识想想为什么金属和塑料可以大规模应用到生活的方方面面

1.金属和塑料是矛盾的材料吗。

通常，金属具有相对较高的熔点和较高的机械强度人类很早以前就使用金属材料，可以追溯到人类文明有记载的青铜时代

与早期的石器相比，金属铜和金属铁是更高级的材料青铜和铁之所以能取代石器，是因为它们比石器具有优越的机械性能，并且易于冶炼加工，所以第一次工业革命与钢的大规模使用密切相关

与金属相比，塑料只是20世纪初才开始兴起的一种材料由于其优良的变形和加工性能，已被大规模使用

塑料是一种高分子非晶态材料，原子排列不规则，其软化点称为玻璃化转变温度因为塑料的玻璃化转变温度通常在室温附近，有的甚至低于室温，所以塑料可以在室温附近加工塑料具有变形温度低，变形能力强的特点，自发明以来就广泛应用于日常生活和工业生产中

因此，决定材料未来的因素不仅要求材料本身具有独特的物理化学性能，还要求材料具有优良的加工变形性能。

金属和塑料是两种几乎矛盾的材料:金属的强度远高于塑料，但加工性能却比塑料差那么有没有可能开发出一种既有金属的强度，又有塑料的优良加工性能的材料呢

2.金属塑料的发现

答案是肯定的2005年5月，中国科学院物理研究所报告了一种全新的金属材料，具有金属的强度和塑料一样的优良加工性能

这种材料在室温下具有与铝镁合金相同的强度，但当温度上升到沸水温度时，它表现出类似塑料的各种加工变形行为，如拉伸，压缩，弯曲和冲压这种材料被称为金属塑料，因为它既有一般金属的性能，又有塑料优良的加工性能

与日常生活中常用的金属不同，金属塑料不是晶体，而是非晶结构，是非晶合金的一种钢，铝合金等中原子的排列平时经常接触的，在微观上是对称的，而非晶原子的排列没有周期结构，是一个复杂无序的体系

事实上，无定形固体材料有很多种我们生活在一个充满无定形固体的世界里人们日常看到的材料:塑料，玻璃，沥青，琥珀，橡胶等都是无定形的固体

玻璃作为一种无序的无机无定形物质，在人类文明的发展中也扮演着重要的角色，比如日常使用的杯子:

例如，望远镜和显微镜的光学透镜，它们是现代科学发展的基石:

比如就是下面的光纤让这个推送可以被更多人使用。

无定形固体也具有与晶体不同的特征:

1.无定形是亚稳定的当非晶材料被加热时，非晶材料会演化到平衡态，其物理性质和原子排列结构也会随时间发生变化因此，在使用非晶态材料时，应考虑其在使用中的稳定性因素

比较非晶态和晶态的自由能，亚稳态非晶态处于能量不稳定状态3。

2.无定形物质物理性质的各向同性晶体具有晶轴取向和各向异性，非晶晶体没有晶格取向，宏观上是各向同性的，就像破碎的非晶玻璃在外观上没有一定的规律

3.无定形固体没有确切的熔点晶体在常温常压下有确定的熔点，而非晶体没有确定的熔点当塑料和玻璃被加热时，它们逐渐软化并熔化熔体冷却时，如果冷却速率高于晶体形成的冷却速率，熔体在某一温度附近会形成非晶态固体，该温度称为玻璃化转变温度点

图3液体形成过冷液体，非晶态和晶态的路径

从由熔体形成的液体的凝固点到玻璃化转变温度的温度范围是过冷液体区域在这个温度范围内，非晶态既不是坚硬的固体，也不是没有特定形状的液体，而是典型的粘性流体状态，具有良好的超塑成形能力外力可以使其永久变形

过冷液体区4中的塑料成型

与金属塑料同类的非晶合金加热到过冷液相区温度后，也可以通过吹塑成型，达到极高的变形量。

通过吹塑形成的Zr基非晶合金5

那么这种金属塑料是怎么设计的呢。

3.金属塑料的设计规则

非晶合金本质上是一种特殊的材料一方面，在室温或玻璃化转变温度以下，它比普通金属材料具有更高的机械强度

锆基大块非晶合金手机边框6

另一方面，在被加热到过冷液体区后，它在变形能力上变得和粘性流体一样好。

铂基非晶合金在过冷液相区微纳成形形成的微米级结构7

因此，从本质上来说，与非晶合金相比，高分子塑料是一种玻璃化转变温度较低的非晶材料，其玻璃化转变温度通常在室温附近，有的甚至低于室温与塑料相比，大多数非晶合金的玻璃化转变温度很高

因此，对于非晶玻璃材料来说，玻璃化转变温度Tg是最重要的性能参数和指标之一，它直接决定了玻璃材料的使用温度和变形加工温度。

在以强度和玻璃化转变温度为标志的范围内，高分子塑料和非晶合金之间存在一个区间，这是金属塑料材料最初的设计思路，即开发位于这个独特区间内的新型非晶合金材料也就是说，这种材料具有和塑料一样的低玻璃化转变温度Tg，同时又具有典型金属材料的高强度

根据这种金属塑性材料的设计思路，结合玻璃转变温度与非晶合金弹性模量的关系以及非晶合金弹性模量与非晶合金组成元素模量的关系，首先在铈基金属中发现了金属塑性体系Ce70Al10Cu20，玻璃转变温度可以低至68摄氏度。

Ce70Al10Cu20金属塑料的玻璃化转变温度为68摄氏度，在沸水中很容易弯曲。

Ce70Al10Cu20金属塑料在沸水中易弯曲得到的BMG字母图案1

铈基塑料在沸水中很容易发生拉伸，压缩，弯曲，冲压等塑性变形同时具有较宽的过冷液相范围，可以在较宽的温度范围内变形

此外，还开发了一系列Ca—Li基，Sr基和Zn基金属塑料，它们都可以在接近沸水温度时变形。

但如前所述，非晶合金是一种亚稳态合金，伴随着时间的推移会演化到平衡态塑料是一种非晶合金，所以必须考虑这种材料的稳定性

如果对偏离其平衡状态的认识还不够深刻，澳大利亚昆士兰大学的一位物理学家为了证明沥青是液体而不是固体，他将沥青加热后倒入密封的玻璃漏斗中沥青完全凝固后，切开漏斗下端，开始记录一滴沥青滴下的时间实验证明，第一滴沥青掉下来用了8年时间因此，有时在相对较短的时间尺度内不容易观察到非晶材料的演化，所以往往被忽略

澳大利亚帕内尔大学沥青滴落实验装置9

4.金属塑料超稳定性的验证

无定形物质的稳定性能达到什么程度。

比如琥珀就是典型的无定形物质，非常稳定琥珀形成之初，古老的动植物就被封在里面由于无定形材料的良好保存效果，数百万年前的生物及其场景得以保存就这样，一个几百万年前的时空场景以其无与伦比的稳定性被冻结并保存至今

而某些成分的非晶合金在加热时很容易大幅度地向平衡态转变，即非晶合金逐渐变成晶体。

在一定温度下加热时，晶体随时间在Zr46Cu46Al8非晶合金中逐渐析出，晶体缓慢长大10。

因此，有些非晶体系很容易转变成晶体，而有些则不容易，这就引出了一个问题:对于给定的无序体系，是否存在唯一的最低能态就像无定形物质琥珀一样，在数千万年的演化过程中，其物理性质并没有发生明显的变化

目前，这种高稳定性超稳玻璃的主要特点是11:

玻璃化转变温度增加玻璃化转变温度越高，体系激活分子运动所需的能量越多，即体系的稳定性越高，越不容易转化为晶体

增加密度密度增加是超稳定玻璃颗粒密集排列的直接宏观反映

并且提高了弹性强度由于超稳定玻璃颗粒的密集排列，抵抗外力变形的能力也相应提高

超稳定金属玻璃具有高稳定性，常规晶体和非晶玻璃不具有的物理特性以及耐磨特性，因此它可以应用于柔性电子器件12。

由于金属塑料在沸水中容易变形，所以在室温下放置时，金属塑料的微观结构演化和能量状态会发生很大的变化那么，长时间放置在室温下的金属塑料是变成更稳定的晶体，还是变成琥珀那样的超稳定物质呢

2005年开发的铈基非晶态金属塑料，一直放置在室温下，直到现在会发生什么

发现室温老化17.7年的铈基非晶态金属塑料样品仍保持完美的非晶态，没有转变成晶体，表现出很强的抗晶化能力，是一种稳定性极高的非晶态合金。

室温老化7.7年的铈基非晶态金属塑料的透射电镜图像显示，原子是无序的，但没有发现有序的晶体结构。

与其他种类的非晶合金相比，铈基金属塑料具有很强的抗晶变能力，接近于超稳玻璃，即能阻碍弛豫过程中的形核和结晶行为而且在室温下老化17.7年的铈基非晶体金属塑料需要加热到更高的温度才能转变成液体

比较铈基非晶合金与其他合金体系的形核率，发现铈基金属塑料具有极低的形核率，表现出极强的稳定性。

室温老化7.7年的铈基非晶态金属塑料玻璃化转变点提高了27K，表明热力学稳定性显著提高，长期老化后成为超稳定非晶态合金。

为什么铈基金属塑料长期存放后会变成超稳定玻璃，但不会变成晶体。

为了解释这个问题，我们在这里打个比方非晶物质中原子组态的势能就像现实中重力的势能一样山峰的位置对应高能位形，山谷的位置对应低能位形原子组态随时间演化到低能组态，就像水随时间流入山谷一样

铈基金属塑料的能垒图中存在一个较大的能谷，而易转变为晶体的非晶材料的能垒由许多不同的较大能谷组成，在向平衡态演化的过程中更容易跳到晶体位置铈基金属塑料的微观动力学比较均匀这种微观构型使铈基金属塑料在老化过程中通过相邻小能量谷之间的跃迁达到低能态，即超稳定玻璃态

铈基金属塑料属于上图所示的强玻璃体系，有助于其持续快速弛豫到超稳玻璃状态。

由于金属塑料材料具有独特的物理化学性质，因此在不同领域具有应用价值和潜力优良的加工变形能力是金属塑性材料的共同特点，对微塑性成形非常有利

放置在手指上的真实齿轮的图像和在扫描电子显微镜8下观察到的齿轮的图像

铈基金属塑料发现至今已有十余年目前，金属塑料作为一种新型材料得到了进一步发展，在许多合金体系中都发现了金属塑料，在微纳加工和器件方面显示出巨大的应用潜力

最后，我们来总结一下金属塑料的特性:

金属的同等强度性能，

塑料同样的成型能力，

同样无序的玻璃结构。

最后用金属塑料印个logo

参考

物理牧师列特。94205502

材料科学与工程R 100 1–69

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材料，2018，11: 2338

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物理学报。第66卷，第17号176411

材料学报

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应用物理列特。110 031901

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