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歐洲團(tuán)隊從原子層面揭示金屬玻璃形成過程

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2020-05-11  來源:中國有色網(wǎng)  瀏覽次數(shù):55

近日,一個歐洲研究團(tuán)隊利用歐洲同步加速器的X射線研究了金屬玻璃的形成過程,從微觀角度揭示了合金從液體到固體的“玻璃化轉(zhuǎn)變”過程。這一認(rèn)識上的飛躍將給世界金屬玻璃及其他玻璃材料研究帶來重要影響。
金屬玻璃(又稱非晶合金)是在快速(例如不到1秒)冷卻時不結(jié)晶的合金。與緩慢冷卻并結(jié)晶的傳統(tǒng)合金不一樣,金屬玻璃的原子不形成規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu),而是大致保持其在熔融體中的位置。這使金屬玻璃既像鋼一樣堅固,又像塑料一樣具有彈性。自1960年問世以來,因其高強(qiáng)度、大彈性極限、優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕、耐輻射及軟磁等性能,在國防、電子信息、能源高技術(shù)等各領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
然而在這種“玻璃化轉(zhuǎn)變”中,原子層面究竟發(fā)生了什么?迄今尚未完全弄清楚。過去的幾十年中,了解金屬玻璃的形成方式一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。類似研究在10多年前曾由于技術(shù)原因失敗過。
最近,由德國薩爾大學(xué)材料學(xué)家伊莎貝拉·加利諾博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊在這方面取得重大進(jìn)展。加利諾團(tuán)隊與西班牙的沙維爾·莫尼爾博士和丹尼爾·坎賈洛西博士、法國的比阿特麗斯·魯塔博士一起進(jìn)行了前所未有的詳細(xì)研究。他們利用位于法國格勒諾布爾的歐洲同步輻射裝置(ESRF)的高能X射線,研究一種特殊的金合金的過冷熔體,特別在其從大約150℃(液體)“凍結(jié)”到大約115℃(玻璃態(tài))這一過程。他們用了新的“快速量熱儀”研究冷凍過程本身,終于取得成功,從合金原子層面揭示了其遷移率是如何降低的。
加利諾博士說,人們一直認(rèn)為,隨著原子遷移率的降低,液體的特性相應(yīng)下降,而固體的特性穩(wěn)步增長,但這種一對一的關(guān)聯(lián)并不完全正確。因為合金熔體由大小各異的不同原子組成。雖然像金原子這樣的大原子已經(jīng)被凍結(jié),但是像硅這樣的小原子仍然可以移動。這種集體流動意味著在這個時間點仍然存在遷移率,因此材料仍然表現(xiàn)得像液體。只有當(dāng)較小的原子也凍結(jié)時,液體才最終固化成玻璃。
研究人員對“玻璃化轉(zhuǎn)變”這一關(guān)鍵過程的認(rèn)識,有助于創(chuàng)建新材料或了解現(xiàn)有材料的特性。除了金屬玻璃,它還會促進(jìn)世界范圍內(nèi)其他玻璃材料(例如聚合物和離子液體)的研究。相關(guān)成果在線發(fā)表于近日的《科學(xué)進(jìn)展》上。

 

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