金属玻璃是一种以金属材料为主要组分(金属元素的原子百分比占到70-100%)、原子堆积结构为长程无序(非晶态)的亚微态金属材料。金属玻璃的主要特点包括:
1、 非平衡状态
即不同元素可以在很大成分比例范围内形成单一相,而不受平衡态的Hume-Rothery准则限制,所以金属玻璃可以允许有更多更广的可选择成分。
2、各向同性
即非晶态原子堆积结构只在最紧邻和次紧邻原子尺度表现出一定的对称性,缺乏晶态材料的长程周期性原子晶格结构,因此在微米甚至纳米尺度,金属玻璃都表现出各向同性的特点。
3、亚稳态性能
即从能量的角度考虑,由于具有液体中原子的无序排列结构,金属玻璃中大部分原子都处于能量受挫状态。与其同成分的晶体材料相比,金属玻璃具有更高的焓和Gibbs自由能。
金属玻璃的应用主要是:
1、 降解偶氮染料
与目前广泛应用的微生物降解法相比,尤其是在降解偶氮染料、卤代物等有机污染物方面,金属元素降解污水污染物的主要优势在于反应不需要吹氧气、PH值尤其是酸性条件影响小、可用温度区间大、操作方便等。
晶态金属玻璃可以有效降解多种水中的有机污染物,比如偶氮染料、卤代有机物等,而且通过降低颗粒尺寸或合金化可以显著提高其反应效率。主要有铁基、镁基、钛基三种金属玻璃。
2、生物材料
随着生活水平的提高,人们对健康的要求也越来越高,相应的对生物材料性能的要求也越来越高。金属玻璃因为高强度、低弹性模量、大范围可调的抗腐蚀性能力、优异的生物相容性得到重视。
金属玻璃作为生物材料主要分为不可降解和可降解两个体系。前者包括钛基、锆基和铁基金属玻璃体系,后者包括镁基、钙基、锌基和锶基金属玻璃体系,后者更受重视。
3、燃料电池电极材料
金属玻璃在加热过程中,经过玻璃转变会进入过冷液相区,此时金属超塑性加工压印成形,可以制备出金属玻璃纳米线。
美国耶鲁大学的研究人员通过该方法制备出了铂基金属玻璃纳米线,并将制备的筛状纳米线器件应用于微型燃料电池中的催化电极,实验表明,铂基金属玻璃纳米线制备的催化电极比商业Pt/C标准电极的效率和寿命都要高。
4、纳米多孔材料
金属玻璃还可以作为制备其他具有特殊性的材料的超级“原材料”。纳米尺寸的金属玻璃在腐蚀的时候容易形成非常均匀的形貌和结构,在化学催化反应、超级电容器、污染源检测等领域将会有着非常广泛的用途。
目前已知具有不同成分的金属玻璃体系有成千上万种,这可以制备出多种性能的纳米多孔材料,将会吸引更多研究者投入注意。