航空航天用金屬玻璃材料問(wèn)世
近日，德國(guó)薩爾州大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)出一種新的非晶態(tài)金屬鈦硫合金，這種合金也稱為金屬玻璃，其性能與常規(guī)鈦合金完全不同，特別適合用作航空航天的輕質(zhì)部件。這一成果獲得大學(xué)知識(shí)與技術(shù)轉(zhuǎn)化中心頒發(fā)的發(fā)明人獎(jiǎng)。
材料研究類似于數(shù)以千計(jì)的拼圖游戲，如果沒(méi)有找到合適的開(kāi)始部分，要想獲得完整的圖片就非常困難。薩爾州大學(xué)3名博士研究生亞歷山大·庫(kù)巴、貝內(nèi)迪克·博希特勒和奧利弗·格羅斯在導(dǎo)師拉爾夫·布希教授的指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)多年實(shí)驗(yàn)，終于研制出一種強(qiáng)度非常高而又非常輕的合金。
與目前的無(wú)定形金屬材料相比，該合金具有許多優(yōu)點(diǎn)：原料來(lái)源豐富，主要由鈦和硫組成，與其他基于鋯、鈀或鉑非晶態(tài)金屬不同，鈦相對(duì)廉價(jià)，而且鈦硫合金不會(huì)像通常使用的鈹磷合金那樣有高毒性。
以往沒(méi)有人嘗試用硫磺來(lái)做合金，本研究率先選擇了硫作為不同金屬的混合物。博希特勒介紹說(shuō)，他們首先發(fā)現(xiàn)了一種具有良好性能的含鈀和鎳的硫合金，然后又拿質(zhì)量更輕、更便宜的鈦?zhàn)鲈囼?yàn)。經(jīng)過(guò)約250次實(shí)驗(yàn)，3人終于找到了鈦、硫和其他元素相互結(jié)合的最佳配比。尋找配方的過(guò)程非常復(fù)雜，一種元素用量1%的差異，對(duì)于一種合金是否具有所需特性起決定性作用。在相同重量下，新開(kāi)發(fā)出的鈦硫合金強(qiáng)度大約是普通相同密度的鈦基金屬的兩倍。因此，它是生產(chǎn)更輕，更小部件的理想材料。
這種所謂金屬玻璃的生產(chǎn)工藝也相當(dāng)關(guān)鍵，因?yàn)椴牧先垠w要在1100℃以上的高溫下被急速冷卻，這樣不會(huì)形成規(guī)則晶格的合金。熔體在不到一秒鐘內(nèi)冷卻，凝固的熔體呈現(xiàn)無(wú)序原子結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)狀態(tài)也被視為玻璃。混亂無(wú)序的結(jié)構(gòu)使得金屬玻璃的性能與傳統(tǒng)的相同原材料合金相當(dāng)不同，像鋼一樣堅(jiān)固，但同時(shí)像塑料一樣具有彈性。
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項(xiàng)目成果
