???有夢幻材料之稱的金屬玻璃

??? 金屬玻璃又被稱為非晶質(zhì)合金或液態(tài)金屬，是各國近年來積極研究開發(fā)的新型材料之一。一聽到液態(tài)金屬，腦中不免一閃而過電影《終結(jié)者2》里那位機(jī)器人T1000的身影，似乎是非常高科技的產(chǎn)品。其實(shí)在2006年，加州理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)所創(chuàng)立的科技公司Liquidmetal Technology就已研發(fā)出特殊材料Liquidmetal，取名“液態(tài)金屬”目的是為了讓金屬玻璃有個更響亮的名字，以提高商品的話題性，事實(shí)上，液態(tài)金屬在常溫下是固體的，看起來就像普通金屬，只是色澤略有不同。那么它究竟有何特別之處呢？

??? 上海艾荔艾金屬材料有限公司總裁林正則解釋，一般來說，金屬在固體狀態(tài)下原子排列十分規(guī)則，但如在液態(tài)熔融金屬的狀態(tài)下，急速冷卻（冷卻速度為 106 K/S）后所得到的非晶質(zhì)合金，結(jié)構(gòu)與玻璃相似，為原子排列不規(guī)則的固體物質(zhì)。這就是金屬玻璃。由于與一般金屬的結(jié)構(gòu)不同，因此在力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等方面，都有獨(dú)特的優(yōu)良性質(zhì)，能廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域的產(chǎn)品，例如：高爾夫球頭、光學(xué)連接器、手術(shù)醫(yī)療器材等。但是由于非晶質(zhì)合金品管困難，只要產(chǎn)品里有殘留結(jié)晶，就容易導(dǎo)致金屬玻璃脆化而受力碎裂，因此目前仍較適宜制造小型零件、器械或是鍍膜。

??? 金屬玻璃看似具備各種優(yōu)點(diǎn)且用途廣泛，連新一代iPhone 6某些零部件也采用液態(tài)金屬，難道金屬玻璃取代其他金屬的時機(jī)已經(jīng)到來？林正則經(jīng)理表示，金屬玻璃雖然用于制造iPhone的一些零部件，但目前應(yīng)用最廣的還是變壓器的磁芯，其特性可使變壓器的重量和損耗能量減少1/3，但金屬玻璃的缺點(diǎn)是成本過高，且原料金屬較為稀有，因此全面使用金屬玻璃制造手機(jī)機(jī)殼，暫時仍是個難以實(shí)現(xiàn)的夢想。

????鎂基金屬玻璃問世 開啟材料科學(xué)新進(jìn)程

??? 金屬玻璃由于金屬成分不同，有鋯基（Zr-based）、鈀基（Pd-based）、鎂基（Mg-based）等非晶質(zhì)合金，但前兩種元素由于較為稀有，雖然具備強(qiáng)度高及高彈性能的優(yōu)點(diǎn)，但價格十分昂貴，不利大規(guī)模應(yīng)用于電子產(chǎn)品及設(shè)備之零部件。

??? 上海艾荔艾金屬材料有限公司開展的非晶質(zhì)及納米結(jié)構(gòu)金屬合金項(xiàng)目，試研發(fā)出一種鎂基金屬玻璃復(fù)合材料，具有質(zhì)輕、彈性應(yīng)變佳、高屈服強(qiáng)度、塑性應(yīng)變高及壓縮強(qiáng)度大等特點(diǎn)，其強(qiáng)度雖然不及鋯基金屬玻璃，但與一般鎂基合金材料相較，強(qiáng)度為3-4倍，最重要的是它的價格較為低廉，使得實(shí)際應(yīng)用性大為提升。

??? 這種高韌性的鎂基金屬玻璃復(fù)合材料，適合應(yīng)用于現(xiàn)階段電子產(chǎn)品及微機(jī)電系統(tǒng)等設(shè)備零部件，例如：高強(qiáng)度精密齒輪、小型精密模具、精密彈簧片、制震機(jī)件等，由于現(xiàn)在電子產(chǎn)品有日趨數(shù)字化與輕薄短小化的趨勢，質(zhì)輕與高強(qiáng)度等特性是制造零部件必須具備的機(jī)械特性。但是鎂基金屬玻璃有一項(xiàng)致命的缺點(diǎn)，就是在室溫的環(huán)境下存在此領(lǐng)域所不欲見的脆性，就像玻璃一樣，遇到外來的壓縮應(yīng)力時，極為容易斷裂成碎片，因此鎂基玻璃金屬的物性改善是一項(xiàng)極待突破的研究課題，這也正是艾荔艾的研發(fā)目的。

??? 面對這項(xiàng)難題，艾荔艾的解決方式是應(yīng)用復(fù)合材料的破壞機(jī)制原理，在鎂基金屬玻璃基質(zhì)里填充一種多孔性延性金屬粒子，這種粒子的硬度比鎂基金屬玻璃軟，借由這種粒子所提供的多重界面，可以阻斷剪切效應(yīng)，促使鎂基金屬玻璃復(fù)合材料同時具有彈性應(yīng)變高且塑性應(yīng)變佳等優(yōu)點(diǎn)，可以作為結(jié)構(gòu)材料使用。這項(xiàng)發(fā)明已通過壓縮應(yīng)力測試，并于2013年成功申請專利，目前正與國內(nèi)廠商洽談合作事宜，預(yù)計未來可被塑造為高性能、高附加價值及多樣化的新材質(zhì)，被視為國內(nèi)金屬產(chǎn)業(yè)的重大突破，前景看好。

??? 金屬玻璃為生醫(yī)產(chǎn)業(yè)再添生力軍

??? 除用于工業(yè)用途外，艾荔艾還將金屬玻璃應(yīng)用于醫(yī)療器械上，擴(kuò)大了金屬玻璃的應(yīng)用層面，相關(guān)研究極具學(xué)術(shù)及實(shí)用價值。

??? 國內(nèi)醫(yī)院進(jìn)行外科手術(shù)需鉆孔時，由于骨頭的多孔性使其外硬內(nèi)軟，因此鉆入時角度容易歪斜，力道不易拿捏，一般的醫(yī)用不銹鋼鉆頭由于彈性較差，因此往往易導(dǎo)致鉆頭斷裂，增加手術(shù)的困難度，甚而引發(fā)醫(yī)療糾紛，如果能夠使用高強(qiáng)度且高彈性的材料制作鉆頭，則可大大地減少此類情形的發(fā)生。

??? 艾荔艾研發(fā)部試制了一種高韌性高強(qiáng)度的醫(yī)用鉆頭，其鉆頭前端使用非晶質(zhì)合金棒的部分為螺旋形狀，材質(zhì)有鋯基、鈦基非晶質(zhì)合金，具有不易斷裂、高韌性、高耐蝕性、耐磨損及抗菌之優(yōu)秀性質(zhì)，有利于骨科及牙科治療時手術(shù)之進(jìn)行。

??? 林正則總裁表示，由于目前非晶質(zhì)材料應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)研究之文獻(xiàn)尚屬少見，且鋯基、鈦基等非晶質(zhì)合金因?yàn)榫哂袃?yōu)良的機(jī)械性質(zhì)，因此其應(yīng)用于醫(yī)療器械、生醫(yī)駐植物、醫(yī)用材料等各方面的運(yùn)用潛力后勢看漲，目前跟一些大型醫(yī)院合作，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并先期授權(quán)給一家生醫(yī)材料公司進(jìn)行評估，希望能將此研發(fā)成果投入實(shí)際量產(chǎn)。

??? 用金屬玻璃打造生醫(yī)新利器

??? 金屬玻璃除了適合制造小型器械及設(shè)備零組件，也可應(yīng)用于醫(yī)療器械開發(fā)，制作手術(shù)刀及鍍膜手術(shù)刀，一方面因其擁有熱穩(wěn)定性好，高抗拉強(qiáng)度、高彈性能等非常好的機(jī)械性能；另一方面，金屬玻璃鍍膜可以提升醫(yī)用器械的耐蝕性及抗菌性。除此之外，還有一個最重要的因素是，金屬玻璃合金鍍膜可以提升切割器具的鋒利度。

????為改善切割刀具的鋒利度，艾荔艾選用鋯基或鋯銅基金屬玻璃，以塊狀與薄膜型式制作金屬玻璃手術(shù)刀金屬玻璃鍍膜手術(shù)刀，利用刀鋒銳利指數(shù)（Blade Sharpness Index, BSI）作為銳利度差異之評估標(biāo)準(zhǔn)，比較市面商用手術(shù)刀、塊材與鍍膜手術(shù)刀之銳利度。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，不論是金屬玻璃或是金屬玻璃鍍膜的手術(shù)刀，都可較市面現(xiàn)行手術(shù)刀提升約30%的銳利度，尤其是鋯銅基鍍膜在銳利度方面表現(xiàn)最為優(yōu)異，提升比率為31%。另外，鍍層的厚薄也會影響鍍膜與刀具的切削耐久度，鍍層越厚結(jié)合度越好，使用壽命越長，但是相對地會越鈍，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，塊狀或金屬玻璃鍍膜手術(shù)刀均比商用手術(shù)刀具有更優(yōu)異的刀鋒耐久度，能夠幫助病患術(shù)后有更平整的傷口與更迅速的復(fù)原速度。

??? 為何金屬玻璃鍍膜可以增加刀具的鋒利度與使用壽命呢？林正則總裁解釋，秘密就在于金屬玻璃是非晶質(zhì)材料，不會像普通金屬一樣產(chǎn)生結(jié)晶，所以鋒利度較佳。最好的證據(jù)就是如果將一般手術(shù)刀在顯微鏡下放大500倍，原本看似平滑的刀緣就會因結(jié)晶而看起來不平整；但金屬玻璃或是金屬玻璃鍍膜的刀具即使放大1萬倍，刀緣還是非常平滑，這就是其擁有高鋒利度的秘訣。除此之外，由于金屬玻璃鍍膜手術(shù)刀表面十分平滑，使其具有疏水性（水分子傾向于聚在一起形成小水珠），讓細(xì)菌較不易沾黏，再上鍍膜里加上了銅或銀的成分，因此產(chǎn)生了抑菌效果。

??? 為了提升商業(yè)價值，切割器具必須更易于生產(chǎn)制造，除了具備好的銳利度外，亦同時具有低生產(chǎn)材料成本、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍亦十分廣泛，可用于民生或軍用刀具，例如：烹調(diào)用刀具、軍用刀具、美術(shù)用刀具、工業(yè)用刀具、木工鋸子及金屬切割鋸子等使用，發(fā)揮優(yōu)秀的切割效率，成本低廉卻有高附加價值，有極高的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

??? 生醫(yī)植入器材研發(fā)再升級

????近年來，由于鈦合金具有高生物相容性、高安全性及穩(wěn)定性，因此在生醫(yī)植入物方面獲得顯著發(fā)展，尤其是骨折案例中固定手術(shù)部位所需的骨釘及金屬縫線；但這些材料在人體中有耐久性與耐腐蝕性的問題，而且傳統(tǒng)的人工骨骼最大的缺點(diǎn)是，楊氏系數(shù)太高，剛性太大，容易導(dǎo)致應(yīng)力遮蔽（stress-shielding）效應(yīng)，簡而言之，因?yàn)殁伜辖鹩捕入m高但缺乏彈性，所以植入人體后由于受力程度的差異，容易使得原本的骨頭萎縮。

??? 為改善這類情況，艾荔艾研發(fā)部以不含有害元素的鈦基金屬玻璃制造生醫(yī)植入物。金屬玻璃相較于傳統(tǒng)合金，一方面具有較低的楊氏系數(shù)、高彈性變形回復(fù)能力、高硬度等性質(zhì)；另一方面鈦基金屬玻璃有著低密度、出色的生物相容性及抗腐蝕力，所以在生醫(yī)材料的運(yùn)用上很有優(yōu)勢。為了盡量符合骨骼多孔性的特性，因此將金屬玻璃設(shè)計成多孔性，以降低剛性，由于其強(qiáng)度較傳統(tǒng)人工骨骼高，因此即使為多孔性構(gòu)造亦不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。這項(xiàng)技術(shù)目前正在申請專利，通過后如果能夠量產(chǎn)，將大幅提升生醫(yī)植入物的安全性及穩(wěn)定性。

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