金属和塑料是日常生活中广泛使用的材料,现在看看有钱花而且有饭吃的你的身边,是不是有数不尽的金属制品?还有数不尽的塑料制品?吃完饭之后就要多学知识,想想金属和塑料为什么能大规模应用到生活中的方方面面呢?
金属和塑料是两类近乎矛盾的材料:金属的强度比塑料高很多,但是加工性能比塑料差。所以有没有可能开发出一种既有金属的强度、又具有塑料那样优异加工性能的材料呢?答案是有的。
2005年5月,中国科学院物理研究所报道了一种具有金属的强度和塑料那样优异加工性能的全新金属材料。这种材料在室温下具有和铝镁合金一样的强度,但是当温度升高到开水温度时,它就像塑料一样展现出拉伸、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”。
金属塑料的设计规则是开发位于这个独特区间的非晶合金新材料。也就是说,这种材料具有和塑料一样低的玻璃转变温度Tg,同时也具有典型的金属材料的高强度。根据这样的金属塑料材料设计思想,结合在非晶合金中玻璃转变温度与非晶合金弹性模量之间的关系以及非晶合金弹性模量与非晶合金组成元素模量之间的关系,首先铈基金属中发现了金属塑料体系Ce70Al10Cu20,玻璃转变温度可以低至68摄氏度。
非晶态合金天生就是一种奇特的材料。一方面,在室温下或者在低于玻璃转变温度以下,它具有比一般金属材料还要高的机械强度。另一方面,加热进入过冷液体区间后,它又变得像黏性流体一样拥有很好的变形能力。所以从非晶态物质的本质上来说,聚合物塑料和非晶合金相比,聚合物塑料就是一类低玻璃转变温度的非晶材料,其玻璃转变温度点通常在室温附近,有的甚至低于室温。
金属塑料的超稳定性验证显示,非晶态物质的稳定性可以到什么程度呢?举个例子,琥珀是典型的非晶态物质(一种非晶糖,可以长期封存蛋白质),这种物质非常稳定。在琥珀形成之初,把远古时代的动植物封存于其中,由于非晶物质对良好保存作用,可以把千百万年前的生物及其当时的场景的保存下来。这样就把千百万年前的某个时空场景凝固住,并以其无与伦比的稳定性保存至今。
因为金属塑料材料都有独特的物理化学性能,它们在不同领域有应用价值和潜力。优异的加工变形能力是金属塑料材料的共性特征,对于微塑性成型非常有利。从铈基金属塑料的发现到现在至今已经十几年过去了。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,在微纳米加工与器件方面表现出极大的应用潜力。