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金屬玻璃用途廣泛,但用其製造零件時成本高昂,而且容易留下瑕疵。現在,美國科學家研發出一種名為快速火花成型的新技術,該技術能低成本、快速地製造出無瑕疵、形狀各異的金屬玻璃零件。
該項目的領導人、加州理工學院工程和應用科學教授威廉姆·傑森在13日出版的《科學》雜誌上表示,新方法將徹底改變冶金領域的面貌。
1960年,加州理工學院的科學家們首先發現了金屬玻璃,金屬玻璃既有金屬和玻璃的優點,又克服了它們各自的弊病,其強度是工業用鋼鐵的3倍、柔韌性是鋼鐵的10倍,廣泛應用於航空航天和消費電子等領域。
金屬玻璃在用來製造有用的零件時,必須被加熱到500攝氏度左右,達到軟化並變成濃稠的液體才能鑄造成型。但在濃稠的液態下,金屬玻璃的原子很快會自發地“各就各位”形成晶體,避免其快速結晶是製造金屬玻璃零件時面臨的主要挑戰。
以前,人們主要通過將金屬玻璃加熱到結晶相的熔點之上(一般都超過1000攝氏度)來製造金屬玻璃零件。人們將熔融的金屬玻璃投入一個鐵模具中,讓其在結晶之前冷卻。但有個問題:鐵模具一般只能承受600攝氏度左右的溫度,因此,需要經常替換,這就大大增加了生産成本。而且,在1000攝氏度高溫下,液態金屬玻璃的流動性很強,很容易潑濺,讓最終獲得的零件“傷痕纍纍”。
傑森團隊另辟蹊徑,以極快的速度來加熱和處理金屬玻璃。他們只將固態金屬玻璃加熱到500攝氏度左右,使其達到流動性足以讓其注入一個模具中並冷卻下來的液體狀態,一切都發生在金屬玻璃結晶之前。
傑森團隊使用電阻加熱技術來均勻且快速地加熱這種材料。他們在約1微秒內,朝一根小金屬玻璃棒發射一束短暫而密集的電流脈衝,給其傳送1000焦耳的能量來將其加熱。該電流脈衝均勻地加熱了整個金屬玻璃,速度是以前的1000多倍。傑森表示,半微秒內,金屬玻璃就達到了合適的溫度,然後,熔融狀態下的金屬玻璃被注入模具中並冷卻,耗時僅幾微秒。
傑森團隊使用這一新技術,成功地在550攝氏度、不到40微秒內將一個金屬玻璃棍加熱製成了一個環形物體,新環形物沒有瑕疵,也沒有被氧化。
科學家能利用新技術對熔融狀態下的金屬玻璃展開研究,例如,通過在其結晶前加熱,科學家耗時幾微秒就可查看結晶過程。新技術現已被申請了專利,並正在進入商業化生産。
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