金属玻璃的“长生不老术”

01{前言}随着科技的快速发展，智能手机早已是随处可见。但当有人使用折叠屏手机网上冲浪或者畅玩游戏时，定会引起大家的围观。这种可以变身的智能手机是如何诞生的，为何能反复折叠而不变形、不开裂呢？屏幕折叠的关键是强有力的铰链，这就要求铰链应具备超轻超强的特性，而金属玻璃则是制作这种铰链的不二之选。

什么是金属玻璃？金属和玻璃这两种看似毫不相关的材料，怎么就联系在一起了呢？图 1 华为折叠屏手机和金属玻璃( 图片来自网络 )金属玻璃是特定成分的合金熔体在快速冷却条件下得到的一类亚稳态新型合金，也称为非晶态合金或液态金属[1]。

这种新型合金外观保留了金属光泽，但却具备了“玻璃心”，其结构像玻璃一样呈长程无序排列。

不同于晶体的周期性排列，金属玻璃的无序堆积结构可看作是纳米尺度的硬区和软区镶嵌而成，如图2所示。

图 2 晶体结构（左）与金属玻璃结构（右）这种特殊的结构使金属玻璃具备很多优异的性能，比如高强度（可达普通钢的3倍）、高硬度、高弹性（超过钛合金）、高断裂韧性等[2]。

因此，金属玻璃在诸多领域具有广阔的潜在应用价值。

02{岁月是把杀猪刀——物理老化}岁月催人老，金属玻璃也不例外。

金属玻璃因其亚稳态特性，会自发地发生物理老化，从而发生脆化，降低其服役寿命。

花有重开日，人无再少年，但金属玻璃却可以实现返老还童！这个过程就是结构年轻化，即物理老化的逆过程。

研究表明，通过千锤百炼（机械变形、包括挤压、扭转、喷丸、轧制等），或者浴火重生（加热到过冷液相区随后快速冷却），又或者在极寒之界修炼（液氮处理），均可使金属玻璃重获新生，如图3所示。

返老还童的金属玻璃重新恢复活力，性能也会更上一层楼！图 3 常用的金属玻璃结构年轻化方法[3]以上这些方法虽然可以使金属玻璃返老还童，但时间周期长，效率低下，那么返老还童是否有速成的秘籍呢？现有的方法还不能通过快速加载实现年轻化，因为金属玻璃在短时间内（高应变率）加载容易发生变形局域化而失效，此之谓欲速则不达。

因此，若要达到快速年轻化，就必须克服金属玻璃变形局域化失效这一难题！03{返老还童手术刀—— 一级轻气炮}为了实现快速年轻化，我们借助平板撞击实验来完成快速加载。

平板撞击实验是在中科院力学所的一级轻气炮平台上完成的，该设备是国内自行设计研制的第一门轻气炮平台，曾获得中国科学院科技进步二等奖。

为了克服快速加载时局域化破坏，我们采用了特殊设计的双靶板构型，如图4所示。

可以看到，在高压气体的激发下，金属玻璃附在弹拖上高速撞向靶板，前、后靶板受到强烈撞击随后分开。

由于前靶板受到飞板和后靶板的几何束缚仅发生一维应变，从而避免了局域化破坏。

整个撞击过程仅365纳秒左右，但受到的冲击载荷却高达几个吉帕（GPa），可谓是刹那之一瞬，承外力之极限！随即对样品进行回收，并对样品结构进行表征，从而验证“返老还童手术”的有效性！图 4 一级轻气炮平台和双靶板平板撞击实验示意图[4]首先通过差示扫描量热仪证实了金属玻璃在三百多纳秒的冲击加载下实现了极端的结构年轻化。

随后通过纳米压痕实验表征其性能变化，发现其承受塑性变形的能力得到了明显增强。

双靶板平板撞击技术打破了快速则破坏的惯例，实现了金属玻璃的超快、极端结构年轻化，完成了返老还童。

04{金属玻璃返老还童的奥义}金属玻璃发生年轻化的原因是什么，其内部结构是如何变化的？金属玻璃微观结构的基本组成单元包括密堆的硬区和松散的软区，它们共同决定了金属玻璃的性能。

要观察微观结构的变化，需要一把特殊的放大镜：透射电子显微镜。

电子束穿透几十纳米的原子层，可以得到原子排列的总体衍射信息，并展现出放大一百万倍效果的图案。

借助透射电子显微镜，我们可以得知原子间距的变化以及原子团簇的定性演化关系。

从动力学角度出发，微观结构的演化会引起原子和团簇的异常振动，表现为低温比热的变化。

因此我们通过综合物性测量系统进一步量化了团簇的演化，得到了金属玻璃的纳米团簇的尺度变化规律。

结果表明，金属玻璃结构年轻化的发生可以归结于冲击作用下原子团簇的激活。

在剪应力的作用下，越来越多的原子团簇被激活从而富有活力，如图5所示。

处于激活态的原子团簇是潜在的变形单元，更容易受外力作用而发生结构重排。

综上所述，物理老化使激活态的原子显著减少，而外界能量的输入使其发生结构年轻化，更多的原子团簇处于激活状态，因此金属玻璃的塑性变形能力得以提升。

图 5 金属玻璃结构年轻化机理示意图05{展 望}金属玻璃返老还童技术的本质是向玻璃体系中输入能量，从而使原子恢复活力。

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