金屬玻璃(Metallic Glass)介紹、應用與發展

什麼是金屬玻璃?

一般玻璃成分通常為矽酸鹽或矽的氧化物,其特點為透明、脆與非晶相之原子排列。一般金屬之組成為單晶或多晶,特點為不透明且具韌性。圖一說明單晶、多晶、非晶之排列示意。

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單晶 多晶 非晶

圖一、單晶、多晶、非晶示意



單晶為原子在一個空間格子內有規律地排列成晶體;多晶為一個空間格子內,有多種不同規律的單晶排列而成的晶體;非晶則不具任何長程有序(註1)之排列結構。而金屬玻璃之本質為金屬,但其晶相不同於一般狀態的單晶、多晶,反之與玻璃的非晶相同,故稱之金屬玻璃。


如何製作金屬玻璃?

傳統的製備法是將金屬加熱,使溫度超過結晶相,一般超過攝氏1000度,而後將其注入模具中,並快速冷卻,使固化時原子來不及有序地排列成單晶或多晶,即可產生非晶相之金屬玻璃。但此法容易造成模具損毀,且攝氏1000度的金屬容易飛濺,導致成品缺陷,降低良率。故如何改良加熱與降溫的方式,成為降低製作金屬玻璃成本的課題。


金屬玻璃之特性

        金屬玻璃原子間之鍵結仍為金屬鍵,故保有金屬的特性,如:不透明、高韌性等,且因原子排列為非晶結構,改善了原本結晶產生的內部缺陷,像是晶粒間的晶界或晶粒內的差排等問題,使其擁有比金屬更高的降服強度、硬度,並有抗蝕性、耐磨耗、疲勞性佳等優點。

        金屬玻璃也具優秀的可塑性。在加熱金屬玻璃使其成為液態的過程中,會先達到玻璃轉化溫度(Tg)及結晶化溫度(Tx)。而溫度於Tg與Tx間,又稱為過冷液相區,相位轉換對於溫度的關係如圖二所示。此時其會呈現類似液態金屬之狀態,可塑性極高,可藉由吹塑形成普通金屬無法實現之外型,雖然材料成本較高,但加工費卻相當於塑膠一樣低廉,且其強度較一般鋼鐵高出2倍。

圖二、過冷液相區示意


金屬玻璃的應用

塊狀金屬玻璃擁有優良的機械性質,強度與硬度皆較鋼、鈦高出數倍;抗永久變形能力也優於普通金屬。常使用於高爾夫球桿,其將衝擊力傳遞給高爾夫球的表現較鈦合金優異,金屬玻璃的球頭可傳遞約90%,鈦合金僅約70%。另外導磁性的金屬玻璃也能應用於電子科技領域,其具高導磁率、低鐵損等優勢,目前已被廣泛應用於傳感器及變壓器鐵芯等領域。


金屬玻璃應用限制

雖非晶相的特性給金屬玻璃帶來許多優點,增加不少應用領域,也因其擁有玻璃特性,延展性表現較差,於高應力下容易變形,會於晶體中產生剪切帶而迅速斷裂,此為金屬玻璃塊材於應用上的一大瓶頸。另一方面,金屬玻璃之體積,因加熱、降溫之技術限制,目前尚無法製造大型金屬玻璃塊,也限制了其他應用的可能性。


金屬玻璃發展趨勢

金屬玻璃的獨特優勢,已獲得國內外產、學界的重視,其加工上的發展,已出現高速加溫與冷卻的方法,可於毫秒內達到製程的溫度,再於毫秒內冷卻為非晶相之金屬。另也發展出薄膜的應用,其是由濺鍍、脈衝雷射蒸鍍等方式製備而成,此法可保有塊材之優點,且可降低應力造成的斷裂、又有低摩擦力之表面特性,但此技術尚有許多發展空間。目前已有應用於生醫、半導體、微機電產業之例子。


參考文獻:

[1] 薛承輝(民104),“金屬玻璃之發展與應用”,台大校友雙月刊,3月號

[2] 何鎮揚、葉名倉(民98),“金屬玻璃(Metallic Glass)”,科學Online

[3] 中國鋼研戰略所(民108),“金屬玻璃在生活中的應用”,壹讀

[4] 沙莉編譯報導(民100),“堅固耐用又廉價 新技術製作金屬玻璃”,大紀元