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想象一下,直径 3 毫米的金属玻璃线,即使加热到 700 多度,也可以吊起重达 2.5 吨的汽车是怎样的奇观?

 

最近,中科院物理研究所柳延辉老师课题组发表在nature上的一篇文章昭示这一奇观有望实现,该文章报道了柳老师课题组新研发的一种金属玻璃:Ir–Ni–Ta–(B),该材料在 727℃ 的高温下仍具有 3。7 千兆帕的高强度。

 

 

除了强度高,Ir–Ni–Ta–(B) 金属玻璃还具有很高的耐腐蚀性。材料的耐腐蚀性往往和抗氧化性有一定关系,因此研究人员利用飞纳电镜,对金属玻璃高温下的抗氧化性进行了测试。通过背散射图像的成分衬度和能谱测试结果可以发现,在 1000K 的高温下,氧化 60 分钟后,氧化层深度不到 0。01 毫米,并且表面光滑,无明显腐蚀坑。

 

飞纳电镜对金属玻璃抗氧化性形貌特征和能谱成分分析结果

 

Question 1:好学的小伙伴不禁要问,什么是金属玻璃?

 

在介绍金属玻璃之前,要先了解固体材料原子的排列方式。

 

将固体材料的原子想像成一颗颗的弹珠,弹珠规则排列的材料称为晶体,不规则排列则称为非晶体。一般来说,金属材料都是晶体结构,而常见的非晶材料有玻璃、玛瑙等。

 

透射电子显微镜观察到微观结构
(a 为非晶体结构,b 为晶体结构)

 

金属玻璃又称非晶态合金,他的成分是金属元素,但原子的排列长程无序,具有非晶体的结构特征。它既有金属和玻璃的优点,又克服了它们各自的弊病。

 

金属玻璃的强度远高于钢,且具有一定的韧性和刚性,同时具有耐腐蚀、耐摩擦等性能。

 

Question 2:那么,怎样使金属变成 “玻璃” 呢?

 

一般来说,金属在冷却时会结晶,原子会排列成有规则的图案,称之为晶格。但如果结晶不出现,原子随机排列,则形成金属玻璃。

 

方法:将金属高温熔化后,以极快的速度冷却,使金属原子来不及按常规编排结晶,原子还处于不整齐、杂乱无章的状态便被 “冻结” 了,因此,出现了类似玻璃的微观结构。

 

 

Question 3:柳老师制备的金属玻璃到底有多厉害呢?

 

几乎所有的金属都可通过快速凝固的方式成为金属玻璃,但要开发一种制备简单,性能优良的金属玻璃并不容易。

 

金属玻璃的机械性能主要取决于其玻璃化转变温度,在接近玻璃化转变温度时,强度会显著降低。因此,老师希望金属玻璃拥有较高的玻璃化转变温度。

 

尽管已经有人开发出玻璃化转变温度大于 1000K (727℃) 的金属玻璃,但过冷液体区域(玻璃化转变温度和结晶温度之间)很窄,导致金属成形性较差,限制了其实际应用。

 

Ir–Ni–Ta–(B) 金属玻璃的玻璃化转变温度已经高达 1162 K,且过冷液体区域为 136 K,比目前大多数金属玻璃的都宽。这意味着在高温或恶劣环境下应用的小型部件可以很容易地通过热塑性成形获得。

 

过冷液体区域与玻璃化转变温度以及各种合金的高温强度

 

自1960年以来,研究人员已开发出基于各种元素的金属玻璃。然而,非晶合金是典型的多组元合金材料,形成过程极其复杂,多个组元构成的成分空间十分庞大。

 

 “一次实验,一个样品” 的材料研究方法不仅导致新材料探索效率低,所获得的实验数据也缺乏系统性,使得人们难以全面把握非晶合金形成的主要规律和性能调控机制。

 

为了鉴定感兴趣的合金,柳老师课题组根据先前报道的玻璃形成能力与电阻率之间的关联性,提出了一种简化的组合方法。

 

这种方法是无损的,允许随后对同一样本库中的一系列物理属性进行检测。该研究的发现与设计和方法的实用性为高强度、高温、大块的其他具有高性能的玻璃合金的研究提供了理论的可能和方法的支持。

 

Ir–Ni–Ta–(B) 块状金属玻璃的高通量表征

 

最后,秀一下柳老师与飞纳电镜的合影,期待柳老师更多科研成果。

 

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