《JMST》:超声振动诱导晶化金属玻璃的超快速再非晶化!

玻璃材料作为人类历史上不可或缺的材料,在光学、生物技术、医学和电子领域发挥着至关重要的作用。作为一类特殊的玻璃态物质,金属玻璃Metallic Glasses(MGs)由于其独特的非晶结构,具有优异的机械性能、磁性、高性能电化学、工业废水处理能力以及巨大的工业潜力。因此,MG的制造引起了极大的兴趣。然而作为一种亚稳态材料,金属玻璃在使用或者处理过程中有向晶体结构转化的趋势,这种不期望的晶化行为严重影响其性能,被称为金属玻璃的“癌症”。

近日,深圳大学与中科院力学所、中科院物理所、松山湖材料实验室、华南理工大学以及上海大学等单位合作提出了一种全新的非晶化方法—超声振动法。硕士生李路遥、博士后吕国建为论文共同第一作者,深圳大学马将教授和中科院力学所王云江教授为共同通讯作者,中科院物理所/松山湖材料实验室汪卫华院士为本论文提供了重要的理论指导和撰写建议,其他合作者包括华南理工大学李泓臻博士,上海大学黄波副教授。

基于这种简便的非晶化方法,研究人员实现了在室温低应力下将完全晶化后的Zr65Cu17.5Ni10Al7.5金属玻璃粉碎并再次转化为非晶态(图1),为金属玻璃的结构及性能调控提供了新方向,并展示了一种新型的固态非晶化思路及途径。该成果以“Ultra-fast amorphization of crystalline alloys by ultrasonic vibrations”为题在线发表于Journal of Materials Science & Technology期刊。

该工作获得了广东省基础与应用基础研究重大项目(2019B030302010)、国家重点研发计划(2018YFA0703605)、国家自然科学基金委项目(52122105、51971150、51871157、12072344)、北京正负电子对撞机(BEPC)项目(2020-BEPC-PT-004661)等的资助。

《JMST》:超声振动诱导晶化金属玻璃的超快速再非晶化!
文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222007770
《JMST》:超声振动诱导晶化金属玻璃的超快速再非晶化!
图1. 超声振动在室温低载下处理晶化金属玻璃的过程。
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图2. 完全晶化的金属玻璃经历不同次数(或时间)超声处理后的TEM和纳米CT分析。

在此,无论是X射线衍射(XRD)分析还是更微观的透射电子显微镜(TEM)和同步辐射纳米CT(nano-CT)分析(图2),晶化金属玻璃的非晶化过程呈现出明显的规律:随着超声处理次数(或时间)的增加,非晶相比例也大幅度增加。这证明超声振动工艺可以用于开发具有非晶结构可调控的新型材料。

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图3. TEM搭载的能谱分析不同超声处理次数(或时间)后粉末的元素分布。

此外,经过多次重复对比实验,研究发现原本存在明显两相的晶化金属玻璃在多次超声处理下实现了元素完全均匀化(图3),并且样品内部的晶体相和非晶相的并未存在元素偏析。证据表明这种现象是通过超声振动促进的沿位错和晶界的扩散实现的。

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图4. 超声振动法和其他非晶化方法比较。

与常规固态非晶化方法(即球磨、氢化、金属膜扩散耦合和辐射诱导等)相比,超声波方法不仅具有显著的时间优势(60秒内),而且非晶化含量可观且可调控。球磨实验表明,Zr65Cu17.5Ni10Al7.5晶化金属玻璃需要2.16×104秒才能实现与超声振动处理60秒相同程度的非晶化含量,比超声振动法慢了360倍(图4)。

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图5. 晶化金属玻璃在超声振动下的非晶化过程。
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图6. 分子动力学模拟非晶相在晶界处萌生(B2-CuZr模型):(a) 施加的应变;(b) 产生的应力;(c) 去除了非晶区域后B2-CuZr多晶的结构演化;(d)模型中非仿射平方位移的最小值。
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图7. 分子动力学模拟非晶相的扩张(B2-CuZr模型):(a) 振动前模型的原子结构切片;(b)不同时间的RMSD直方图(用于区分晶体和非晶);(c) B2-CuZr模型非晶化过程。

TEM观察和分子动力学模拟都表明,在超声振动下,由于晶格高频应变导致的晶格不稳定性,使非晶相在纳米晶晶界处迅速出现,然后在晶界处扩展(图5-7)。这项工作为固态非晶化的原子尺度基本机制提供了新的见解。


文章来自微信公众号“材料科学与工程”,根据需要,有所修改。

原创文章,作者:马将,如若转载,请注明出处:https://www.bmgforming.com/research-express/6012.html

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