非晶、玻璃與液體結構

快速淬冷(rapid quenching)

結晶就像一群人各自找到分配好的座位:給足時間,每個人都會挪進整齊的行列。快速淬冷則是在任何人坐下之前關燈、把人群就地凍住——把熔融材料冷卻得極快,使其原子在來得及組織成晶體之前,就被鎖進無序、類似液體的排列中。這是製作玻璃的標準訣竅,也是把一種急於結晶的材料(尤其是金屬)變成非晶質固體所必須付出的入場費。

速度之所以奏效,是一場與成核的競賽。要結晶,液體必須先成核出微小的晶種,再讓它們長大,兩個步驟都需要時間——這些時間表現為時間-溫度-轉變(time-temperature-transformation)曲線那個特徵性的「鼻子」,也就是在最危險的溫度下開始結晶所需的最短時間。若你冷卻得夠快、在晶體成核之前就掃過那個鼻子,液體便從沒機會有序:它變濃稠、通過玻璃轉變、凍成玻璃。多快算快,完全取決於材料。二氧化矽極其遲滯,一般的空氣冷卻就已勝過它的鼻子,這正是它容易做成玻璃的原因。純金屬幾乎瞬間成核,所以最早的金屬玻璃需要約每秒一百萬度這種驚人的速率,靠把液滴在冷板間潑淬,或把細噴流甩到旋轉的冷卻銅輪上做成帶材(melt spinning)來達成。

快速淬冷之所以重要,是因為對於那些本來總會結晶的材料,它正是打開整個無序固體世界的鑰匙。甩帶法、潑淬、氣體霧化與薄膜濺鍍,都是達到所需冷卻速率的方法。這個幾何有一個誠實的後果:你必須冷得越快,試樣就必須越薄,因為熱量透過固體逸散的速度有限——這正是為何早期金屬玻璃只能以微米厚的帶材與粉末形式出現。後來塊狀金屬玻璃的突破,並非來自冷得更快,而是來自挑選那些鼻子被推到更長時間的合金化學,使玻璃能在溫和的速率下形成,厚實的截面因而成為可能。

在甩帶法中,一股熔融合金被噴到每秒轉數十公尺的銅輪邊緣。金屬一碰到冷輪便在不到一毫秒內凍結——冷卻速率接近每秒一百萬度——剝離成一條或許 20 微米厚的連續非晶帶材。做得再厚一點,內部冷卻就太慢,晶體成核,玻璃便告失去。

冷卻得比晶體成核還快,熔體就凍成玻璃——但只限於薄截面。

冷得更快並不會做出「更好」的玻璃,它只是搶在結晶之前而已,而且因為熱量逸散緩慢,它逼得試樣必須很薄。塊狀金屬玻璃並非靠冷得更快而達成,而是靠挑選那些極不情願結晶、在溫和速率下就玻璃化的合金。

又称
rapid solidificationmelt quenchingmelt spinningsplat quenching急冷快速凝固