微重力下液态 Vit106a 的热物性与凝固行为

为什么太空有助于我们理解特殊金属

一些金属可以被冷却成类似玻璃的状态，从而具备工程师期望用于航天器到医疗器械等领域的非凡强度和韧性。但制造大尺寸的“金属玻璃”很困难，因为熔融金属必须足够快地冷却以避免结晶。本文报道了科学家如何利用国际空间站的微重力环境，精确测量一种有前景的合金——Vit106a 在液态时的行为及其凝固过程，这些数据对在更大尺度上制造强韧的金属玻璃部件至关重要。

一种倾向于成为玻璃的金属

块体金属玻璃是原子被“冻结”在无序排列中的金属合金，其结构更像窗玻璃而非典型晶体。这种结构可以使其非常坚固、有弹性并耐腐蚀。Vit106a 是一种以锆为基础的合金，专门设计以在不含铍等有毒元素的情况下形成金属玻璃。在地面上，直径仅几毫米的 Vit106a 小球在相对适中的冷却速率下就能形成玻璃，这表明它可能适合制备较大部件。然而，要真正控制工业铸造，工程师需要准确的数据，了解熔融合金在广泛温度范围内如何流动、如何辐射热量以及如何储存能量——这些数据在地面上难以获得，因为重力和容器壁会扰动液体。

让金属在太空中悬浮

为克服这些限制，研究团队在国际空间站上用电磁悬浮装置处理了一个直径 6.5 毫米的 Vit106a 球体。强力线圈将液滴悬浮在空中，并在没有容器接触的情况下加热它。在这个近乎失重的环境中，研究人员轻微扰动液滴以测量表面波纹传播和衰减的速度，从而得出其表面张力和粘度（衡量液体流动阻力的指标）。他们还用精细调制的加热信号来确定液滴的辐射散热效率以及升温所需的能量，从而获得其发射率和比热容。

液态金属揭示的信息

测量结果显示，Vit106a 在所研究的高温范围内表面张力几乎保持恒定，并且与其他富锆合金非常相近，暗示熔体中由表面驱动的流动较弱。粘度数据表明，在高温下该液体表现为相对“脆弱”的流体，其流动阻力随温度变化迅速。当这些数据与其他团队在低温区的先前测量结合分析时，结果表明 Vit106a 在冷却接近玻璃化转变时会从更脆弱的行为向更“强似”的行为转变——在其他合金中，这种效应与液体原子结构的细微重排有关。完全熔融合金的比热容被发现略高于一些地面估计值，从而细化了用于铸造模拟的热力学图景。

冷却很快但仍不够快的时候

在完成物性测量后，液滴在悬浮器中自由冷却，速率约为每秒 16 开尔文——远快于先前报道足以在小尺寸 Vit106a 样品中形成玻璃的临界冷却速率。令人意外的是，温度记录显示出与结晶相关的明显平台期，返回地球后的详细 X 射线衍射和电子显微镜分析证实该球体已完全结晶，而非形成玻璃。固化球体含有几种简单的以锆为基础的化合物和较大的内部孔洞，表明晶体从表面开始向内生长，将材料从中心拉走。这种行为指向非均匀成核——微小杂质或结构波动作为晶体成核点——并对 Vit106a 在更大铸件中形成玻璃的难易程度提出质疑。

这对未来金属玻璃部件意味着什么

该研究在近乎理想的微重力条件下提供了一组精确的 Vit106a 熔体热物性数据，并表明尽管该合金以优良的成玻性著称，但在更大体积中比先前对微小样品的研究暗示的更容易结晶。对于工程师而言，这些结果强调要实现大规模生产，不仅需要足够快的冷却速率，还需严格控制氧气和其他杂质，谨慎管理冷却前的熔体温度，并对铸件厚度对成玻性的影响保持现实预期。新的测量数据现在可以用于计算机模型，帮助设计铸造工艺和设备，使可靠的大尺寸金属玻璃零件的目标更进一步可及。

引用: Terebenec, D., Mohr, M., Wunderlich, R. et al. Thermophysical properties and solidification behavior of liquid Vit106a in microgravity. npj Microgravity 12, 26 (2026). https://doi.org/10.1038/s41526-026-00572-6

关键词: 块体金属玻璃, 微重力加工, Vit106a 合金, 金属凝固, 热物性