多形性轉(zhuǎn)變是晶體材料中普遍存在的一類相變，也是一種調(diào)控材料性能的有效途徑之一。非晶態(tài)材料盡管在原子排列上缺乏晶體材料的長程有序特征，但也存在類似的非晶態(tài)多形性相變。重入型玻璃轉(zhuǎn)變是一類獨(dú)特的非晶態(tài)多形性轉(zhuǎn)變但重入型玻璃轉(zhuǎn)變的普遍性尚未得到證實(shí)。

近日，北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室呂昭平教授團(tuán)隊(duì)首次在Pd-Ni-P非晶合金的相變過程中發(fā)現(xiàn)溫度誘導(dǎo)的重入型玻璃轉(zhuǎn)變（Reentrant Glass Transition），即在加熱過程中Pd-Ni-P非晶合金發(fā)生“玻璃態(tài)I-過冷液態(tài)-玻璃態(tài)II”的多形性相變，通過這種重入型玻璃轉(zhuǎn)變得到的玻璃態(tài)II具有超穩(wěn)玻璃的特征。該項(xiàng)研究進(jìn)展在材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Materials Today》發(fā)表。

論文連接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.09.002

原位升溫同步輻射X射線散射實(shí)驗(yàn)表明，Pd42.5Ni42.5P15非晶合金在升溫過程中首先由玻璃態(tài)I進(jìn)入到過冷液態(tài)作為過渡，而后經(jīng)過結(jié)構(gòu)有序化轉(zhuǎn)變形成新的玻璃態(tài)II。在此過程中，從短程至中程尺度的局域原子結(jié)構(gòu)的有序度顯著增加，并造成非晶合金的體積、電阻和比熱急劇下降。原子尺度的模擬分析表明，重入型玻璃轉(zhuǎn)變的微觀機(jī)理主要是熱激活促使合金中部分P-P鍵發(fā)生分解，分解出來的P原子與Ni和Pd原子在混合焓的作用下發(fā)生重組形成新的（Ni, Pd）-P鍵，進(jìn)而導(dǎo)致能量更低的Ni（Pd）2P和Ni（Pd）3P型團(tuán)簇的增加。這些具有類晶體結(jié)構(gòu)的原子團(tuán)簇互相連接形成更大的中程序團(tuán)簇，使得體系的有序度得到顯著提高、自由能減低，最終獲得熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上更加穩(wěn)定的超穩(wěn)非晶合金。

與以往非晶合金中報(bào)道的非晶態(tài)多形性轉(zhuǎn)變不同，本研究中的重入型玻璃轉(zhuǎn)變后的超穩(wěn)非晶合金可以截留下來，為系統(tǒng)研究非晶態(tài)多形性轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能奠定了基礎(chǔ)，不僅證實(shí)了重入型玻璃轉(zhuǎn)變的普遍性，揭示了非晶合金過冷液體和玻璃相的多樣性，豐富了非晶態(tài)多形性轉(zhuǎn)變的研究范疇，為深入理解非晶態(tài)多形性轉(zhuǎn)變本質(zhì)和破解玻璃轉(zhuǎn)變這一基本物理問題提供了關(guān)鍵模型材料，而且也為調(diào)控非晶合金的性能提供了一條新思路。

研究論文第一作者為北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生杜清，通訊作者是劉雄軍研究員和呂昭平教授。北京高壓科學(xué)研究中心、中國散裂中子源、美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和約翰霍普金斯大學(xué)等單位參與并為研究工作提供了支持。這項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目和國家外國專家局、教育部“111”創(chuàng)新引智基地的資助。