金属玻璃是在快速凝固处理（Rapid Solidification Processing，RSP）的基础上诞生的。1950年，美国加州理工大学Pol Duwez（1907—1984年）就已鉴别并描述了σ相的特征。σ相是一些普通铁素体合金中的有害脆性相，它大大促进了金属间化合物的研究热潮。从1952年起，Duwez与其研究生一起继续从事金属间化合物的系统研究。那时，在理解二元合金固溶体的扩展和金属间化合物相的存在方面，Hume-Rothery等的工作已为此奠定了基础。这些工作是以金属电子结构为基础的。当把这些想法进一步展开时，Duwez发现二元Au-Cu和Au-Ag系统能完全固溶，而Ag-Cu系统却没有完全固溶。Duwez设想：若以足够大的速率冷却薄层熔液，或许能够避免Ag-Cu分离成两个固体。他的两个学生设计了一个简单装置而得到了均匀的固溶体。于是，现代快速淬火技术诞生了。接着，Duwez在此基础上设计了一个更精细的装置，开始研究贵金属系统。很快，当他们在试图用快速凝固方法合成Au-Si固溶体时，却意外得到了20μm厚的Au75Si25不透明金属玻璃。因此，金属玻璃是偶然出现的。后来发现这类玻璃有相同的组成规律：主要组元是一种金属，次要组元是一非金属。

Duwez等在1960年制备出Au-Si非晶合金是金属玻璃发展史上的第一个里程碑。金属玻璃的最终发展得依赖块体金属玻璃（Bulk Metallic Glass，BMG）的制备。1960年后，人们发现有些多组分的合金在较低的冷却速率下也可形成非晶态。制备金属玻璃的冷却速率从最初的106℃/s逐渐降到每秒几百摄氏度。有些组分甚至每秒几摄氏度，这与普通的硅酸盐玻璃没有什么差异了。1988年，采用较慢的冷却速率获得了临界直径大于1 mm的多组分块体金属玻璃，这是金属玻璃发展史上的第二个里程碑。

金属玻璃具有某些优异的物理和力学等性能。高强度是金属玻璃最显著和独特的力学性能之一。由于金属玻璃没有晶体中的位错、晶界等缺陷，因而具有很高的强度和硬度。几乎每个金属玻璃系统的强度都达到了同合金系晶态材料强度的数倍。比如，Fe基金属玻璃的断裂强度可达3.6 GPa，这是一般结构钢的数倍。金属玻璃的强度、韧性等也都突破了金属材料的记录。但多数金属玻璃缺乏宏观室温塑性变形能力的致命缺陷。脆性是制约金属玻璃成为结构材料的瓶颈，也严重制约着金属玻璃其他优异性能的发挥。尽管如此，在实验室条件下，人们还是找到了一些克服金属玻璃脆性的方法。

在应用方面，金属玻璃的应用比预期的要少。用它来制作的高尔夫球棒更耐击打。金属玻璃最成熟和广泛的应用是在非晶磁性方面。Fe、Ni、Co基金属玻璃条带，因其优异的软磁特性而被广泛应用于各种变压器和传感器等。金属玻璃还是重要的航空航天候选材料，如钛基非晶合金的弹性极限可超过2000 MPa，这是常规晶态材料和高聚物材料不能达到的。金属玻璃在受到高速撞击时，其动态韧性急剧升高。所以，金属玻璃也是第三代穿甲、破甲备选材料。Fe基金属玻璃因其高硬度、抗磨损、无磁和耐腐蚀特性而成为高性能涂层材料。此外，金属玻璃涂层还可用于航母等舰艇的防腐和隐身。

我们相信金属玻璃在不久的将来会像硅酸盐玻璃一样得到广泛的应用。

本章结语

我们在本章主要介绍了玻璃的结构及物质形成玻璃的条件和方法。玻璃属于非晶体。总的来说，玻璃的结构呈近程有序、远程无序；其性质在宏观上是均匀、各向同性的，但在微观上存在局部不均匀性。故与同成分的晶体相比，玻璃在热力学上是不稳定的。由于玻璃转变成晶体需要越过一定的势垒，而且转变速率很小，故玻璃可以长期存在。

学习了这些内容，读者可能要问：有那么多模型或理论来描述玻璃的结构及物质形成玻璃的条件或能力，究竟哪一个是正确的呢？的确，我们介绍的这些模型都不是非常完美的。至今，还没有一个统一而且能很好地描述玻璃结构及物质形成玻璃能力的模型。目前已有的模型只能对某种类型的玻璃进行一些描述，并能解释或预测玻璃的一些性能。

事实上，我们目前学习的基础理论，或由此得出的结论仅仅是与实际情况接近而已。随着人们对材料认识的深入，有些理论要做修正或限制其适用范围，甚至有些理论是错误的要加以摒弃。科学理论不是一经确立就永远正确。但这些前人经过思考和研究后留给我们的宝贵财富还将在我们及后人的努力中得到发展。认识自然永无终日说明了科学的进取精神，这也是科学的魅力之一。(www.daowen.com)

接下来，我们在比原子大的尺度上介绍材料的结构——显微结构。由于晶体（或玻璃）结构、显微结构的形成都涉及原子的迁移或扩散，故我们在下一章先学习扩散。

推荐读物

［1］汪卫华.非晶态物质的本质和特性［J］.物理学进展，2013，33（5）：177-351.

［2］干福熹.中国古代玻璃的起源和发展［J］.自然杂志，2006（4）：187-193.

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［5］Hench L L.The story of Bioglass®［J］.Journal of Materials Science：Materials in Medicine，2006（17）：967-978.