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金屬頂刊《Acta Materialia》：首次證明金屬液體在液相線溫度以上存在動(dòng)力學(xué)推動(dòng)的液-液相變！

2022-04-01 11:02:44 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

非晶合金是“披著固體外衣”的金屬液體，形成于金屬液體的急速冷卻過程，非晶合金通過玻璃化轉(zhuǎn)變繼承了金屬液體的結(jié)構(gòu)，在固態(tài)也能展現(xiàn)出液態(tài)的一些物性。認(rèn)識(shí)高溫金屬液體的結(jié)構(gòu)與物性對(duì)于認(rèn)識(shí)液體的固化過程和理解非晶合金的玻璃化轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。合金中是否存在液-液相變作為非晶態(tài)物理與材料領(lǐng)域的一個(gè)前沿問題，十幾年來得到了研究人員的廣泛關(guān)注并引發(fā)了一系列討論。

近期，中科院院士、中科院物理研究所/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)室研究員汪衛(wèi)華和研究員白海洋團(tuán)隊(duì)研究人員等利用最新的超快差熱分析技術(shù)（Mettler Toledo FDSC 2+）證明了在液相線溫度以上存在動(dòng)力學(xué)推動(dòng)的新型金屬液-液相變。通過原位觀察四種鐿鋅二元合金（Yb-Zn）液體的快速冷卻過程，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)起始溫度高于液相線平衡溫度的放熱峰（圖1）。這個(gè)放熱峰的獨(dú)特之處在于：冷卻時(shí)可逆比熱不變（圖1），在重新加熱的過程中沒有任何吸熱峰與之對(duì)應(yīng)（圖2），再次冷卻時(shí)又會(huì)出現(xiàn)。上述結(jié)果說明該放熱峰不可能是晶化、沉淀析出和相分離，只可能是一種特殊的液-液結(jié)構(gòu)相變——它沒有一級(jí)或二級(jí)相變的熱力學(xué)特征，只有相變的動(dòng)力學(xué)行為。這種動(dòng)力學(xué)推動(dòng)的液-液相變的相變溫度比平衡液相線的溫度高6-8%，與文獻(xiàn)中金屬液體發(fā)生黏度超阿倫尼烏斯轉(zhuǎn)變的溫度相近。根據(jù)這一相變溫度，研究人員構(gòu)建了鐿鋅合金液體的非平衡相圖（圖3）。

這項(xiàng)工作中使用的超快差熱分析儀是由瑞士梅特勒托利多公司生產(chǎn)的，它擁有60000度每秒的加熱速率和40000度每秒的冷卻速率，能夠達(dá)到1000度的實(shí)驗(yàn)溫度，適合表征金屬液體的高溫行為和原位急速冷卻制備非晶合金。經(jīng)測(cè)量，該工作中的新型液-液相變?cè)诟呃鋮s速率下的焓值占總?cè)刍实?0-12%。研究推算，如果在常規(guī)量熱儀的20度每秒冷卻速率下測(cè)量，則該液-液相變的焓值只占總?cè)刍实那Х种畮?mdash;—無法實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。所以，這種新型液-液相變只能通過高冷卻速率觀測(cè)。超快冷卻技術(shù)是發(fā)現(xiàn)這種動(dòng)力學(xué)推動(dòng)的液-液相變的關(guān)鍵。

該研究證明了金屬液體在液相線溫度以上存在動(dòng)力學(xué)推動(dòng)的液-液相變，為人們通過調(diào)控液體來設(shè)計(jì)固態(tài)合金提供了新思路。相關(guān)成果以Kinetically facilitated liquid-liquid transition in a metallic liquid為題發(fā)表在Acta Materialia上。