有梦幻材料之称的金属玻璃

    金属玻璃又被称为非晶质合金或液态金属，是各国近年来积极研究开发的新型材料之一。一听到液态金属，脑中不免一闪而过电影《终结者2》里那位机器人T1000的身影，似乎是非常高科技的产品。其实在2006年，加州理工学院的研究团队所创立的科技公司Liquidmetal Technology就已研发出特殊材料Liquidmetal，取名“液态金属”目的是为了让金属玻璃有个更响亮的名字，以提高商品的话题性，事实上，液态金属在常温下是固体的，看起来就像普通金属，只是色泽略有不同。那么它究竟有何特别之处呢？

    上海艾荔艾金属材料有限公司总裁林正则解释，一般来说，金属在固体状态下原子排列十分规则，但如在液态熔融金属的状态下，急速冷却（冷却速度为 106 K/S）后所得到的非晶质合金，结构与玻璃相似，为原子排列不规则的固体物质。这就是金属玻璃。由于与一般金属的结构不同，因此在力学、电学、磁学等方面，都有独特的优良性质，能广泛应用于各种领域的产品，例如：高尔夫球头、光学连接器、手术医疗器材等。但是由于非晶质合金品管困难，只要产品里有残留结晶，就容易导致金属玻璃脆化而受力碎裂，因此目前仍较适宜制造小型零件、器械或是镀膜。

    金属玻璃看似具备各种优点且用途广泛，连新一代iPhone 6某些零部件也采用液态金属，难道金属玻璃取代其他金属的时机已经到来？林正则经理表示，金属玻璃虽然用于制造iPhone的一些零部件，但目前应用最广的还是变压器的磁芯，其特性可使变压器的重量和损耗能量减少1/3，但金属玻璃的缺点是成本过高，且原料金属较为稀有，因此全面使用金属玻璃制造手机机壳，暂时仍是个难以实现的梦想。

    镁基金属玻璃问世 开启材料科学新进程

    金属玻璃由于金属成分不同，有锆基（Zr-based）、钯基（Pd-based）、镁基（Mg-based）等非晶质合金，但前两种元素由于较为稀有，虽然具备强度高及高弹性能的优点，但价格十分昂贵，不利大规模应用于电子产品及设备之零部件。

    上海艾荔艾金属材料有限公司开展的非晶质及纳米结构金属合金项目，试研发出一种镁基金属玻璃复合材料，具有质轻、弹性应变佳、高屈服强度、塑性应变高及压缩强度大等特点，其强度虽然不及锆基金属玻璃，但与一般镁基合金材料相较，强度为3-4倍，最重要的是它的价格较为低廉，使得实际应用性大为提升。

    这种高韧性的镁基金属玻璃复合材料，适合应用于现阶段电子产品及微机电系统等设备零部件，例如：高强度精密齿轮、小型精密模具、精密弹簧片、制震机件等，由于现在电子产品有日趋数字化与轻薄短小化的趋势，质轻与高强度等特性是制造零部件必须具备的机械特性。但是镁基金属玻璃有一项致命的缺点，就是在室温的环境下存在此领域所不欲见的脆性，就像玻璃一样，遇到外来的压缩应力时，极为容易断裂成碎片，因此镁基玻璃金属的物性改善是一项极待突破的研究课题，这也正是艾荔艾的研发目的。

    面对这项难题，艾荔艾的解决方式是应用复合材料的破坏机制原理，在镁基金属玻璃基质里填充一种多孔性延性金属粒子，这种粒子的硬度比镁基金属玻璃软，借由这种粒子所提供的多重界面，可以阻断剪切效应，促使镁基金属玻璃复合材料同时具有弹性应变高且塑性应变佳等优点，可以作为结构材料使用。这项发明已通过压缩应力测试，并于2013年成功申请专利，目前正与国内厂商洽谈合作事宜，预计未来可被塑造为高性能、高附加价值及多样化的新材质，被视为国内金属产业的重大突破，前景看好。

    金属玻璃为生医产业再添生力军

    除用于工业用途外，艾荔艾还将金属玻璃应用于医疗器械上，扩大了金属玻璃的应用层面，相关研究极具学术及实用价值。

    国内医院进行外科手术需钻孔时，由于骨头的多孔性使其外硬内软，因此钻入时角度容易歪斜，力道不易拿捏，一般的医用不锈钢钻头由于弹性较差，因此往往易导致钻头断裂，增加手术的困难度，甚而引发医疗纠纷，如果能够使用高强度且高弹性的材料制作钻头，则可大大地减少此类情形的发生。

    艾荔艾研发部试制了一种高韧性高强度的医用钻头，其钻头前端使用非晶质合金棒的部分为螺旋形状，材质有锆基、钛基非晶质合金，具有不易断裂、高韧性、高耐蚀性、耐磨损及抗菌之优秀性质，有利于骨科及牙科治疗时手术之进行。

    林正则总裁表示，由于目前非晶质材料应用于临床医学研究之文献尚属少见，且锆基、钛基等非晶质合金因为具有优良的机械性质，因此其应用于医疗器械、生医驻植物、医用材料等各方面的运用潜力后势看涨，目前跟一些大型医院合作，进行实验，并先期授权给一家生医材料公司进行评估，希望能将此研发成果投入实际量产。

    用金属玻璃打造生医新利器

    金属玻璃除了适合制造小型器械及设备零组件，也可应用于医疗器械开发，制作手术刀及镀膜手术刀，一方面因其拥有热稳定性好，高抗拉强度、高弹性能等非常好的机械性能；另一方面，金属玻璃镀膜可以提升医用器械的耐蚀性及抗菌性。除此之外，还有一个最重要的因素是，金属玻璃合金镀膜可以提升切割器具的锋利度。

    为改善切割刀具的锋利度，艾荔艾选用锆基或锆铜基金属玻璃，以块状与薄膜型式制作金属玻璃手术刀金属玻璃镀膜手术刀，利用刀锋锐利指数（Blade Sharpness Index, BSI）作为锐利度差异之评估标准，比较市面商用手术刀、块材与镀膜手术刀之锐利度。实验证实，不论是金属玻璃或是金属玻璃镀膜的手术刀，都可较市面现行手术刀提升约30%的锐利度，尤其是锆铜基镀膜在锐利度方面表现最为优异，提升比率为31%。另外，镀层的厚薄也会影响镀膜与刀具的切削耐久度，镀层越厚结合度越好，使用寿命越长，但是相对地会越钝，经实验证明，块状或金属玻璃镀膜手术刀均比商用手术刀具有更优异的刀锋耐久度，能够帮助病患术后有更平整的伤口与更迅速的复原速度。

    为何金属玻璃镀膜可以增加刀具的锋利度与使用寿命呢？林正则总裁解释，秘密就在于金属玻璃是非晶质材料，不会像普通金属一样产生结晶，所以锋利度较佳。最好的证据就是如果将一般手术刀在显微镜下放大500倍，原本看似平滑的刀缘就会因结晶而看起来不平整；但金属玻璃或是金属玻璃镀膜的刀具即使放大1万倍，刀缘还是非常平滑，这就是其拥有高锋利度的秘诀。除此之外，由于金属玻璃镀膜手术刀表面十分平滑，使其具有疏水性（水分子倾向于聚在一起形成小水珠），让细菌较不易沾黏，再上镀膜里加上了铜或银的成分，因此产生了抑菌效果。

    为了提升商业价值，切割器具必须更易于生产制造，除了具备好的锐利度外，亦同时具有低生产材料成本、使用寿命长等优点，应用范围亦十分广泛，可用于民生或军用刀具，例如：烹调用刀具、军用刀具、美术用刀具、工业用刀具、木工锯子及金属切割锯子等使用，发挥优秀的切割效率，成本低廉却有高附加价值，有极高的发展潜力。

    生医植入器材研发再升级

    近年来，由于钛合金具有高生物相容性、高安全性及稳定性，因此在生医植入物方面获得显著发展，尤其是骨折案例中固定手术部位所需的骨钉及金属缝线；但这些材料在人体中有耐久性与耐腐蚀性的问题，而且传统的人工骨骼最大的缺点是，杨氏系数太高，刚性太大，容易导致应力遮蔽（stress-shielding）效应，简而言之，因为钛合金硬度虽高但缺乏弹性，所以植入人体后由于受力程度的差异，容易使得原本的骨头萎缩。

    为改善这类情况，艾荔艾研发部以不含有害元素的钛基金属玻璃制造生医植入物。金属玻璃相较于传统合金，一方面具有较低的杨氏系数、高弹性变形回复能力、高硬度等性质；另一方面钛基金属玻璃有着低密度、出色的生物相容性及抗腐蚀力，所以在生医材料的运用上很有优势。为了尽量符合骨骼多孔性的特性，因此将金属玻璃设计成多孔性，以降低刚性，由于其强度较传统人工骨骼高，因此即使为多孔性构造亦不影响结构强度。这项技术目前正在申请专利，通过后如果能够量产，将大幅提升生医植入物的安全性及稳定性。

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