晶合金由于無(wú)序原子堆垛結(jié)構(gòu)而顯示的高強(qiáng)度、高彈度和耐腐蝕性能一直成為材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。如果要把非晶合金的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)展到新領(lǐng)域，可能會(huì)遇到一個(gè)有趣的問(wèn)題：非晶合金可以燃燒嗎？

為了回答這一科學(xué)問(wèn)題，北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室呂昭平教授團(tuán)隊(duì)選擇具有較大非晶形成能力且成分簡(jiǎn)單的Zr基塊體非晶合金作為研究對(duì)象，開展實(shí)驗(yàn)和理論研究，揭示了非晶合金的燃燒機(jī)制。國(guó)際腐蝕領(lǐng)域知名學(xué)術(shù)期刊Corrosion Science于2022年6月2日以“Combustion behavior and mechanism of Cu46Zr46Al8 bulk metallic glass in oxygen-enriched environments”為題在線刊發(fā)了他們的研究結(jié)果。

材料學(xué)家們首先選定Cu46Zr46Al8非晶合金和相同成分的晶體合金，在專門燃燒實(shí)驗(yàn)裝置中，精心設(shè)計(jì)了不同氧壓條件下的自然中斷和強(qiáng)行中斷的燃燒實(shí)驗(yàn)。通過(guò)觀察，記錄燃燒現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)搜集到的所有煙塵、熔滴、灰燼和殘?jiān)热紵a(chǎn)物進(jìn)行XRD、TEM和SEM/EDS實(shí)驗(yàn)分析，還原了非晶合金與晶體合金的燃燒過(guò)程和不同。

研究將非晶合金的燃燒過(guò)程分為初始點(diǎn)燃和穩(wěn)定燃燒兩個(gè)階段。

在初始點(diǎn)燃階段，通過(guò)引燃物要達(dá)到自持熱化學(xué)反應(yīng)條件，即合金發(fā)生局部熔化而形成初始熔池，由于熔化的金屬成分在富氧環(huán)境下與氧發(fā)生反應(yīng)放熱，這一放熱過(guò)程加劇了熔池湍流，使熔池表面的氧化層破裂，加速了氧向熔池中的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致熔池升溫到燃燒門檻溫度，當(dāng)燃燒放熱和熔體吸熱達(dá)到平衡時(shí)就進(jìn)入了穩(wěn)定燃燒階段，直到燃燒怠盡。

在穩(wěn)定燃燒階段，非晶合金中的Zr和Al元素在高溫熔池表面氣化，因此穩(wěn)定燃燒有液相燃燒和氣相燃燒的兩種模式。而燃燒模式則由合金元素和氧化物熔點(diǎn)和沸點(diǎn)差異來(lái)決定。當(dāng)氧化物的沸點(diǎn)高于純?cè)氐姆悬c(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生氣相燃燒，反之，當(dāng)元素的熔點(diǎn)低時(shí)則發(fā)生液相燃燒。而對(duì)于Zr基非晶來(lái)說(shuō)，由于合金中鋁的沸點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氧化鋁的沸點(diǎn)，因此是氣相燃燒模式。

進(jìn)一步地，研究人員通過(guò)一種實(shí)時(shí)精密測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)定了在穩(wěn)定燃燒時(shí)熔池形成熔滴而滴落的時(shí)間、熔滴質(zhì)量等重要數(shù)據(jù)，計(jì)算了燃燒速率，還對(duì)氧壓對(duì)燃燒的影響進(jìn)行了分析。通過(guò)與同一成分的晶體合金實(shí)時(shí)燃燒行為以及燃燒熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Zr基非晶合金燃燒與燃燒過(guò)程中吸氧速率和氧化物行為以及氧壓門檻值密切相關(guān)，吸氧速率隨著氧壓增大而與氧壓呈指數(shù)、線性和穩(wěn)態(tài)三個(gè)階段，而且Zr基非晶合金相比晶體合金具有更低的氧壓門檻值和更低的燃燒激活能，表明相對(duì)于相同成分的晶體合金，Zr基非晶合金更易燃，同時(shí)具有更高的燃燒熱值和更快的燃燒速度。

研究人員的這些發(fā)現(xiàn)有助于拓展非晶合金在航空航天等應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)為提高現(xiàn)有特定組分固體推進(jìn)劑和燃燒劑等含能材料的釋能性能提供了新的思路，即：在不改變現(xiàn)有傳統(tǒng)Mg基和Al基合金的含能材料合金成分的情況，可進(jìn)一步提高體積能量密度和能量釋放速率。

論文的第一作者是來(lái)自北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生喻嘉彬，呂昭平教授團(tuán)隊(duì)成員王輝博士為通訊作者，研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的資助。

論文詳見：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110415

經(jīng)過(guò)計(jì)算的同一成分的Zr基非晶合金和晶體合金的燃燒激活能

a)實(shí)時(shí)測(cè)量的燃燒過(guò)程中的質(zhì)量變化；b)實(shí)時(shí)測(cè)量的燃燒液滴在不同氧壓下的質(zhì)量。

a)氧壓與合金合金燃燒長(zhǎng)度的關(guān)系；b)氧壓門檻值與燃燒長(zhǎng)度的關(guān)系；c)非晶合金和晶體合金的的能量示意圖。