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經(jīng)典綜述鑒賞：全面解讀塊體金屬玻璃

2018-08-09 11:20:28 作者：Nancy、飛絮來源：材料人分享至：

【引言】

非晶態(tài)合金又稱為金屬玻璃，具有長(zhǎng)程無序、短程有序的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)特征。固態(tài)時(shí)其原子的三維空間呈拓?fù)錈o序排列，并在一定溫度范圍內(nèi)這種狀態(tài)保持相對(duì)穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的晶體合金相比，非晶合金中不存在類似于晶界等界面缺陷，同時(shí)它具有比較穩(wěn)定的過冷液相區(qū)。這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征使非晶合金具有晶體材料所不具備的優(yōu)異性能，例如表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高韌性、高耐蝕性和高磁導(dǎo)率等優(yōu)異的力學(xué)、物理與化學(xué)性能，以及高精密成形加工性等特點(diǎn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，非晶合金已經(jīng)成為材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。非晶材料的迅猛發(fā)展也為研究材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理中一些重要問題的模型體系提供了新思路。

日本東北大學(xué)Mingwei Chen教授在NPG Asia Mater.期刊上發(fā)表了題為“A brief overview of bulk metallic glasses”的綜述。塊體金屬玻璃（BMGs）的研發(fā)，促進(jìn)了合金材料的實(shí)際應(yīng)用和科學(xué)認(rèn)識(shí)，同時(shí)也激發(fā)了科研工作者的廣泛的研究熱情。非晶態(tài)合金具有無序的原子結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的玻璃-過冷液體轉(zhuǎn)變的性質(zhì)，它代表了一類新的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是一種具有極高性能的功能型材料。本文首先介紹了BMGS的特性，研究發(fā)現(xiàn)：BMGS是目前最強(qiáng)的金屬材料和最軟的金屬材料之一（最強(qiáng)的Co 基非晶態(tài)合金的強(qiáng)度高達(dá)6.0 GPa, 最軟的Sr 基非晶合金的強(qiáng)度低至300 MPa）；非晶合金是最容易加工成型的金屬材料，也是最耐蝕的金屬材料；它還具有遺傳、記憶等特點(diǎn)。在本文中，作者詳細(xì)地對(duì)團(tuán)簇密堆模型進(jìn)行解釋：非晶合金中存在許多以fcc或者h(yuǎn)cp的方式排列的穩(wěn)定團(tuán)簇。這些團(tuán)簇的中心原子是由非晶中含量較少的組元組成，而非晶合金中的基底原子填充在團(tuán)簇間隙，用溶質(zhì)與溶劑分別表示少數(shù)的組元和多數(shù)的基底原子。當(dāng)填充原子與團(tuán)簇雜亂無章地“粘連”在一起，就形成長(zhǎng)程無序的非晶合金。團(tuán)簇密堆模型較好地反映了非晶合金結(jié)構(gòu)的特征，可用于解釋研究過程中遇到的一些非常態(tài)現(xiàn)象。在參閱并回顧非晶態(tài)合金研究的歷史里程碑的基礎(chǔ)上，作者還詳述了金屬玻璃研究中所遇到的幾個(gè)問題，全面解讀了BMGs的強(qiáng)度、延展性和玻璃形成能力與原子結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。最后，就BMG在微電子機(jī)械系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展展開討論。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一非晶態(tài)合金的常見形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)與熱學(xué)性能

（a）通過鑄型鑄造制備的塊體金屬玻璃。樣品的直徑為30 mm（b）BMG典型的高分辨電子顯微圖和電子衍射圖（c）塊體金屬玻璃的差示掃描量熱曲線，顯示了玻璃化轉(zhuǎn)變和較寬過冷區(qū)域的特征

圖二非晶態(tài)合金密排模型中單個(gè)簇的單位單胞示意圖

（a）密排模型（100）平面的示意圖，表明了簇之間的相互粘結(jié)以及每個(gè)溶質(zhì)原子周圍的有效原子堆積數(shù)（b）Zr-（Al, Ti）-（Cu, Ni）-Be合金中<12-10-9>模型系統(tǒng)的團(tuán)簇單位晶胞的一部分

圖三電子束衍射實(shí)驗(yàn)原理圖

（右上方插圖）使用最大光束的半高寬所計(jì)算的電子納米探針的三維輪廓

（右下方插圖）與電子衍射花樣相關(guān)的納米束尺寸的示意圖

圖四非晶態(tài)合金的剪切屈服強(qiáng)度及粘度與玻璃轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系

圖（a）非晶態(tài)合金的剪切屈服強(qiáng)度（Thy）與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系。實(shí)線對(duì)應(yīng)方程的關(guān)系圖，Thy = 3R（Tg-RT）/V，其中R是氣體常數(shù)，符號(hào)A到O代表不同的合金

（b）粘度與T/T0及σ/σ0的函數(shù)曲線圖，其中T0是臨界溫度，σ0是臨界應(yīng)力。白色曲線對(duì)應(yīng)Log10η0＝5的關(guān)系圖

圖五銅原子的原子遷移率與800 K時(shí)Cu45Zr45Ag10的局部結(jié)構(gòu)環(huán)境之間的關(guān)系圖

（a, b）銅原子按位移的遞增順序分為20組。在每組中，<0,0,12,0>多面體的百分比和配位的銀原子數(shù)繪制為（a）1.5tα‘的短時(shí)間間隔（b）1.5tα’的長(zhǎng)時(shí)間間隔

（c）基于（b）中所得的位移性能繪制所有原子的三維均方位移圖。等值面表示慢動(dòng)態(tài)和快動(dòng)態(tài)區(qū)域，其中Δr2小于252（藍(lán)色區(qū)域）和大于802（綠色到紅色區(qū)域）

（d）三維圖顯示慢動(dòng)力學(xué)區(qū)域的等值面和銀原子（粉紅球）的分布。觀察到藍(lán)色慢動(dòng)態(tài)區(qū)域?yàn)殂y貧瘠區(qū)。立方體尺寸為53×53×533

圖六不同非晶態(tài)合金的SEM圖像及應(yīng)力曲線

（a）DH1和（b）DH3微觀結(jié)構(gòu)的背散射掃描電子顯微圖像（c）室溫拉伸試驗(yàn)中Vitryly 1、DH1、DH2和DH3的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

（d）DH3頸縮現(xiàn)象示意圖（e）DH2和DH3試樣拉伸前后對(duì)比圖（f）DH3拉伸后表面形貌圖

（g，h）拉伸時(shí)DH2和DH3中頸縮現(xiàn)象示意圖（i）BMGs整體脆性斷裂圖

圖七鎂基非晶態(tài)合金與結(jié)晶鎂合金的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究

（a，c）非晶態(tài)鎂Mg60Zn35Ca5（b，d）晶態(tài)鎂合金參照物（WZ21）

在兩種類型的豬腹部組織中（27天后的肌肉（a，b）和91天后的皮下組織（c， d）植入），所有樣品顯示典型的纖維狀膠囊異物反應(yīng)（用白色箭頭表示），但只有結(jié)晶樣品（由虛線表示的植入盤）顯著釋放氫氣（圓盤和纖維狀膠囊之間黑色箭頭指示的區(qū)域）

圖八 BMGs的原子力顯微鏡圖像

（a）具有凹形錐體的（100）硅晶片的原子力顯微圖（b）用模具（a）鍛造的BMG的凸納米錐體的原子力顯微圖（c）使用鋯基BMG結(jié)合聚焦離子束的方法制備的齒輪模具（d）鉑基BMG制備的模鍛微齒輪

【總結(jié)】

非晶材料的發(fā)展與制備新方法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步、新型的非晶體系的研發(fā)緊密相關(guān)。從急冷法制備出非晶條帶，到助熔劑法制備出大塊非晶合金，再到改變化學(xué)成分來提高非晶形成能力、銅模澆注制備出多種塊體非晶合金，每一次非晶合金材料的突破都通過制備方法和新體系的開發(fā)引起的。非晶合金領(lǐng)域是科學(xué)、技術(shù)和應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，不同領(lǐng)域的交叉合作將大大促進(jìn)非晶合金領(lǐng)域的快速發(fā)展。近些年來，圍繞非晶的基礎(chǔ)研究、新型非晶材料研發(fā)都相繼產(chǎn)生了眾多豐碩的成果。

非晶態(tài)合金與結(jié)晶合金相比，前者是在非常快的臨界冷卻速率下形成。它具有廣泛的研究?jī)r(jià)值，例如通過優(yōu)化BMGs的化學(xué)組成可以研究不同環(huán)境下的生物腐蝕特性，控制過度降解和析氫速率。作為一種新型結(jié)構(gòu)與功能材料，非晶合金已經(jīng)在信息與電子器件、精密機(jī)械、航空航天器件和體育運(yùn)動(dòng)器械等領(lǐng)域開始得到應(yīng)用，它的優(yōu)異性能還使其在人體生物材料和化工等領(lǐng)域顯示出重要的應(yīng)用價(jià)值。

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責(zé)任編輯：韓鑫

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