4篇成果!深圳大学系列进展:金属玻璃的纳米工程及其优异性能

作为一种新型的合金材料,金属玻璃(又称非晶合金)自从被发现以来因其独特的无序原子结构排列和优异的性能而受到了人们的广泛关注。金属玻璃相比较于传统的合金材料具有许多优异的物理和化学性能,如高强度、大弹性、独特的热塑性能、优异的耐磨性和催化性能等等。然而在金属玻璃的众多性能之中,其独特热塑性能极大地扩宽了其在科学以及工程领域上的应用。金属玻璃的热塑性能是指当金属玻璃被加热到特定的温度区间时,它将从室温表现的硬脆特性转变为超塑性。利用这一性能,金属玻璃可以在该温度区间进行从原子尺度到宏观尺度的跨尺度成型,还可以像胶水一样对各种材料进行粘接制备性能可调控的复合材料(Mater. Horiz. 8.6, (2021):1690-1699)。

近日,深圳大学研究人员利用该特性能在金属玻璃的微纳制造和光热功能应用上开展了一系列工作。相关研究内容已发表于期刊Fundamental Research, SCIENCE CHINA Materials, Nano Energy和 Advanced Engineering Materials。

深圳大学硕士研究生傅佳男为系列研究工作的第一作者,马将教授为通讯作者。南方科技大学力学与航空航天工程系的李真研究助理教授为上述系列进展研究提供了大量宝贵意见。深圳大学材料科学与工程学院的赵劲来博士为光热测试提供了实验条件和结果讨论。

该系列研究得到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)等项目的资助。


相关研究成果简介:


与以往通过调节元素配比来发现新型金属材料的方式不同,原则上,金属材料的尺寸处于微米或纳米级时,其自身特性便上会发生明显的变化。这也为设计具有优异性能的新型金属材料带来了灵感。各种不同形态的微纳米金属材料目前已经在环境,催化,检测和能源等领域广泛应用。由于金属材料独特的光学和机械性能,最近微纳米金属材料在光热领域的贡献尤为显著。然而,如何利用宏观金属材料高效地制备特定尺寸的微纳金属材料仍是一个亟待解决的问题。在这一研究背景下,来自深圳大学的研究人员利用金属玻璃独特的热塑性打破了这一窘境,利用这一性能他们在其表面制备了一系列大面积且跨尺度的功能性结构如规则形状的微米阵列,纳米线以及微纳米多孔。
首先,研究人员利用金属玻璃的热塑性能,以阳极氧化铝(AAO)为模板,在其表面制备了大面积精细排列的纳米线阵列,纳米线阵列的引入有效地降低了金属玻璃表面的反射率,使其在一个较大的波段范围内表现低反射率的特性。基于纳米线表面的优异光学特性,使用不同波长的激光照射在带有纳米线表面的金属玻璃上时,纳米表面均表现快速地光热效应。在特定的激光功率照射下,红外热成像仪记录到纳米表面的升温速率是光滑金属玻璃表面的30倍。同时,成型后的金属玻璃仍保持非晶态的本征结构可用于二次热塑成型,并可以制备成各种复杂的形状,实现柔性贴附于各种复杂表面,拓展了光热表面的可应用场景。

相关研究内容以“Strong absorption in ultra-wide band by surface nano engineering of metallic glass”为题,近日发表在国家自然科学基金委主办的高水平综合性研究期刊Fundamental Research

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325822003831

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图一:基于金属玻璃的热塑性能制备的具有吸光特性的纳米阵列
视频一:带有纳米线的金属玻璃表面的光热效应

以AAO模板来制备的纳米线结构是一种单级的阵列结构,且制备完成后需要放入腐蚀性液体(如氢氧化钠溶液)中进行模板的蚀刻,这使得工艺过程耗时、复杂。因此,如何开发一种更简单、更绿色的方式来进行金属玻璃表面结构的可控构筑对其在光热、超疏水等功能应用具有重要的意义。在此背景上,来自深圳大学的研究人员提出了“溶解制造”的概念并成功地制备了多孔和有序阵列结构。得益于金属玻璃在过冷液相区所具有的独特热塑成型能力,他们使用日常生活中常用的食盐作为热塑成型时的模板,在热塑成型后将金属玻璃放置在水中溶解5 min便可以在其表面轻松制备多孔结构。利用这一策略研究人员不仅在金属玻璃表面上成功地制备了孔径大小可以人为调整的无序多孔结构,而且还制备了形状规则的阵列结构。此外,该策略还显示出优异的重复构造性能,在同一金属玻璃表面上研究人员对多孔结构进行多次重复构造。

相关研究内容以“Manufacture of porous metallic glass using dissolvable templates”为题,以封面文章的形式发表在SCIENCE CHINA Materials

论文链接:https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-022-2191-9

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图二:金属玻璃的溶解制造策略制备多孔结构
视频二:溶解制造多孔金属玻璃

太阳能海水淡化是一项绿色技术致力于解决全世界的淡水紧缺危机。太阳能海水淡化系统的核心部件是一个具有强烈太阳光吸收的吸收器。理想的太阳能蒸汽发电系统不仅需要高效的光热转换性能而且需要具有优异亲水性能的结构以便快速地输送海水在其表面形成蒸汽,从而达到海水淡化的目的。基于“溶解制造”的概念,深圳大学的研究人员使用纳米级的粉末作为热塑成型的模板,在金属玻璃表面热塑成型了多级的纳米多孔结构。带有多级的纳米多孔结构的表面在太阳光谱内表现出优异的吸收性能,同时具备亲水特性。基于这两项多孔结构所带来的特性,研究人员搭建了以该表面为核心的太阳能海水淡化系统。在一个太阳光的照射下,多级的纳米多孔表面表现出的蒸发速率为1.72 kg m-2 h-1,蒸发效率高达94.2%。同时,该表面在污水处理中也表现出显著的净化特性。

相关研究内容以“Hierarchical porous metallic glass with strong broadband absorption and photothermal conversion performance for solar steam generation”为题,发表在国际知名的能源期刊Nano Energy

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522010977

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图三:多级的纳米多孔金属玻璃用于高效的水蒸发
视频三:多级的纳米多孔金属玻璃的水蒸发

基于在金属玻璃纳米工程及功能应用方向的成果,受Advanced Engineering Materials期刊邀请,深圳大学的研究人员对带有纳米结构的金属玻璃的制备,功能和应用相关研究进行了综述。在该综述中,他们不仅总结了目前用于制备带有纳米结构的金属玻璃的各类加工方式,而且对其功能应用进行了全面概述。最后,作者对制备带有纳米结构的金属玻璃的加工方式进行了展望,同时也讨论了其潜在的功能应用前景。

相关研究内容以“Nanoengineering of Metallic Glasses”为题,发表于Advanced Engineering Materials

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adem.202200659

篇成果!深圳大学系列进展:金属玻璃的纳米工程及其优异性能"
图四:带有纳米结构的金属玻璃的先进加工方式及其功能应用

本文来自微信公众号“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/6044.html

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