金属玻璃的相转变规律和相图
日期:2020-03-02, 查看:717

       金属玻璃(别号非晶合金)作为一种新型金属材料,表现出诸多优异的物理化学性能,比如良好的化学催化活性(降解有机水污染物、电解水制氢等)、优异的磁性能(低矫顽力、高磁导率、大磁熵变等)、优异的力学性能(高强度、高弹性、高硬度、耐磨等)和抗腐蚀能力强等。然而,这种性能优异的新材料并不能轻易获得,这是因为晶态结构一般比非晶态具有更低的能量,根据“水往低处流”——低能量更稳定的基本物理规律,追求安逸的原子们知道晶态才是它们自发构筑时的首选稳定结构。而玻璃态无序结构的能量较高,不容易获得。正因为玻璃的稀有和不断变化的非平衡亚稳特性,人们对它的形成条件、演化规律及物理本质知之甚少。在Science征集的125个重要的科学问题中,伟大的凝聚态物理学家、诺贝尔物理奖获得者P.W. Anderson指出“玻璃及玻璃转变的本质可能是固体物理科学中最深刻和最有趣的问题,相关研究结果甚至对神经网络、计算机算法、演化、计算复杂性等智力问题的发展都具有重要意义”。

       研究金属玻璃制备过程中晶体形成和玻璃形成的竞争关系对提高玻璃形成能力,控制玻璃的质量和性质有重要的意义,这也是从金属玻璃诞生半个多世纪以来的关注焦点。深入理解金属玻璃的玻璃态本质特征,对调控金属玻璃非平衡亚稳特征来改善其物理化学功能特性具有重要指导意义。近年来,我们团队利用高精度闪速差示扫描量热技术(Flash DSC),以Au基金属玻璃为模型,围绕玻璃形成与玻璃态演化规律和机制开展了一系列工作。首次获得了金属玻璃体系在等温、降温、升温过程中完整的相转变相图。基于此,提出制备块体超稳金属玻璃的最优化方法;发现等温退火过程中存在两步弛豫现象,发现beta弛豫和alpha弛豫对玻璃热稳定性及软磁性能的影响存在差别;发现玻璃态beta弛豫含量与过冷液体晶化形核之间的关联性。这为金属玻璃的制备和性能调控提供了理论基础。相关工作发表在Acta Mater. 104, 25-32 (2016);Intermetallics 93, 101–105 (2018) 和Acta Mater. 185, 38-44 (2020)。

图1. 金属玻璃在等温、降温、升温过程中的相转变相图

(王军强研究员供稿)