發(fā)布時(shí)間：2023年2月10日
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穩(wěn)定的材料性能是一種材料能否成功商業(yè)化的標(biāo)志之一。美國化學(xué)家Frank Spedding曾經(jīng)說過，“太多的物理學(xué)家在非常不精確的材料上做了非常精確的測(cè)試”。非晶合金，作為一種形成于合金熔體急速冷卻過程中的亞穩(wěn)態(tài)材料，在材料性能的穩(wěn)定性上存在諸多問題。例如，受化學(xué)純度、熔化溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度、真空條件等材料制備因素的影響，不同人員或不同批次制備出的非晶合金樣品在物理性能上存在諸多差異。如何將 “不精確材料”轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬_材料”是實(shí)現(xiàn)非晶合金成功商業(yè)化的關(guān)鍵。
近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室EX4組汪衛(wèi)華院士團(tuán)隊(duì)的程琪博士和導(dǎo)師孫永昊特聘研究員，與捷克楊·伊萬杰利斯塔大學(xué)的Jiri Orava教授合作，利用最先進(jìn)的梅特勒托利多超快差熱分析儀證明了在一種金基非晶合金的熔體中存在一個(gè)混溶間隙（Miscibility gap），它導(dǎo)致熔體發(fā)生調(diào)幅分解型的液相分離，影響了該非晶合金的熱穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔體溫度從500度提高到700度以后，由急速冷卻所制備的非晶合金，它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度不變，但晶化起始和峰值溫度分別升高了24度和40度。金基非晶合金的一項(xiàng)重要應(yīng)用就是通過熱塑法制備力學(xué)性能優(yōu)異的精密結(jié)構(gòu)。上述溫度的提高擴(kuò)展了該材料過冷液相的可加工溫度區(qū)間，降低了其熱塑成型的難度。
合金熔體中的非均勻性有三種可能的來源：局域團(tuán)簇、液液相變和液相分離。程琪等人利用超快差熱分析儀的超快加熱和超快冷卻優(yōu)勢(shì)，對(duì)相同的金基樣品進(jìn)行了反復(fù)多次的原位非晶化測(cè)試，獲得了大量精確和可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過多次加熱和冷卻實(shí)驗(yàn)，研究排除了在熔體中存在殘留晶體團(tuán)簇的可能；通過保溫實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)了在熔體中存在一種可能與氧摻雜有關(guān)的異質(zhì)團(tuán)簇；通過晶化溫度隨熔體溫度的漸變，研究找到了液相分離而非液液相變的證據(jù)。該研究方法也可以拓展到晶態(tài)合金的熔體分析中。通過繪制合金熔體的溫度冷速相圖，程琪等人提出了具有混溶間隙的非晶合金熔體實(shí)現(xiàn)均勻化的標(biāo)準(zhǔn)，即需要同時(shí)提高熔體溫度和冷卻速率。通過調(diào)節(jié)溫度和冷速，研究人員可以制備出勻質(zhì)型、異質(zhì)I型和異質(zhì)II型三種不同類型、不同性能的非晶合金。
這項(xiàng)工作的意義是為人們通過調(diào)控熔體來設(shè)計(jì)固態(tài)合金提供了新的案例。相關(guān)成果以“Homogenization of a metallic melt: Enhancing the thermal stability of glassy metal”為標(biāo)題發(fā)表在綜合期刊一區(qū)雜志Materials Today Physics上。第一作者程琪博士現(xiàn)為北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院的博士后；通訊作者是孫永昊特聘研究員和Jiri Orava教授。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金(51971239、92263103)、中國科學(xué)院先導(dǎo)計(jì)劃(XDB30000000)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFA0703603)、廣東省自然科學(xué)基金(2019B030302010)和捷克共和國教育部(LM2018124)的資助。
來源：中國科學(xué)院物理研究所網(wǎng)站 2023.2.10