金属玻璃中隐藏在长时间尺度下的动力学行为及其对性能的影响

金属玻璃微观结构无序,没有类似晶体材料中的缺陷,表现出一系列优异的力学和功能特性,具有广泛的应用前景。由于非晶结构上长程无序,难以建立结构和性能的关系。而弛豫动力学研究为认识金属玻璃提供了非常重要的窗口,对于理解其稳定性和形变行为极为关键,也一直是凝聚态物理和材料科学领域的核心问题。近年来,随着更多先进研究手段的使用和研究的不断深入,人们发现在玻璃态极长的时间跨度和不同空间尺度下蕴含着丰富的动力学行为,这些动力学模式之间彼此关联,同时也具有独特性。本文介绍了近期关于金属玻璃弛豫动力学研究的重要进展,及其对于认识和调控材料性能、优化材料制备等方面的影响。     

金属玻璃结构及其失稳的原子层次研究

金属玻璃无序结构的非均匀性特征给实验研究其原子尺度的结构特性带来了巨大挑战,目前的实验研究手段仍然受限于时空分辨率的不足,很难捕捉到金属玻璃微观结构的局域响应,而计算模拟能够从原子层次上理解非晶结构及其响应规律。但由于元素间相互作用、计算方法和计算能力的限制,用于计算模拟研究的模型体系和真实的金属玻璃材料之间还存在着难以逾越的鸿沟。充分利用和综合现代计算机技术、软件和算法的成果,探索和发展更有效的计算模拟体系应用于金属玻璃计算模拟研究是解决这一困境的可能途径。本文主要综述了近年来我们关于金属玻璃结构与失稳计算模拟研究的重要进展,及其对认识和调控材料性能、优化材料制备方面的影响,并对未来金属玻璃计算模拟研究进行了简要的展望。     

金属玻璃原子尺度结构和性能的调控:关于深冷处理的综述

通过调控金属玻璃的原子尺度结构进而提高它们的力学、物理、化学性能极为重要。在过去几十年里,金属玻璃领域研究者投入了大量精力以开发有效调控方法,如深冷处理。本文综述了深冷处理对金属玻璃性能的影响及其对初始结构能量状态的依赖关系,聚焦了金属玻璃中原子结构随深冷处理的演化,这些内容对于深入理解金属玻璃深冷处理效应具有重要作用。     

非晶合金的回春行为

非晶合金兼具金属和玻璃、固体和液体特性,自被发现以来凭借其独特结构和优异性能成为凝聚态物理与材料科学领域的前沿热点。作为一种亚稳态材料,非晶合金具有向更低能量状态转变的趋势,称为老化或结构弛豫,此过程往往伴随着室温变形能力的恶化。作为结构弛豫的逆过程,回春是指非晶合金由低能态向高能态转变的过程。回春处理大大拓展了非晶合金的能量范围,这不仅能显著改善非晶合金室温变形能力,也为研究非晶合金的原子结构、玻璃转变和变形机理提供了新的机遇。本文简要综述了非晶合金回春的方法,回春行为对微观结构、力学性能和功能特性的影响,并对非晶合金回春行为的研究进行了简单展望。     

金属玻璃蠕变及回复行为研究综述

由于非晶合金独特的无序结构,其结构动力学特征涉及较大时间与尺寸跨度的粒子重排。作为深入研究金属玻璃体系弛豫行为与老化动力学的基础,对非晶合金结构动力学的表征和理解至关重要。大量研究表明,以镧基和铈基为代表的稀土基非晶合金的弛豫谱呈现明显次级弛豫过程,该体系亦成为探究非晶合金结构动力学与力学性能关联的理想载体。本文主要就金属玻璃的滞弹性变形作了详细评述。作为蠕变实验中变形的主要成分,这类变形在卸载后可完全回复,对其合理描述是深入理解非晶合金结构动力学的关键。此外,总结了蠕变和蠕变回复过程中滞弹性变形的主要特征,并介绍了几种可用于定量或定性分析的理论模型。     

金属诱导晶化基础与应用研究进展

将非晶半导体与金属相接触,可以诱导非晶半导体在极低的温度下结晶,这一现象被称为金属诱导晶化。薄膜状态的晶体半导体是用于众多先进技术中的关键材料,被广泛应用于微电子、光电子、显示技术和光伏技术等领域。金属诱导晶化为低温晶体半导体器件的制造、纳米多孔金属材料的合成以及金属材料界面工程提供了一种崭新的途径,引起了学术界和工业界的广泛关注。本文综述了金属诱导晶化的研究进展,对不同金属/非晶半导体体系中存在的金属诱导晶化现象进行了归纳分类总结,对其热力学原理和动力学机制进行了详细的计算与分析,突出了界面热力学在薄膜体系的固→固相变中的作用,最终阐明了金属诱导晶化过程的内在机理,并对金属诱导晶化过程未来的研究趋势进行了展望。     

金属玻璃(Fe_(55)Ni_(45))_(78)Si_8B_(14)的低温结构弛豫

金属玻璃在退火处理下将发生结构弛豫,许多物理性质也将发生变化.一般认为非晶无序态的原子重新排列导致了结构弛豫,并提出了两种模型:拓扑短程序(TSRO)和化学短程序(CSRO).Egami和Bcukel等人研究了铁     

LOW TEMPERATURE STRUCTURAL RELAXATION OF METALLIC GLASS (Fe_(55) Ni_(45))_(78)Si_8 B_(14)

<正> 金属玻璃在退火处理下将发生结构弛豫,许多物理性质也将发生变化.一般认为非晶无序态的原子重新排列导致了结构弛豫,并提出了两种模型:拓扑短程序(TSRO)和化学短程序(CSRO).Egami和Bcukel等人研究了铁     

大体积非晶合金的制备技术

非晶态合金由于具有比晶态合金更优异的力学、磁学等性能得到了广泛的研究，从大体积非晶的玻璃形成能力、制备原理及工艺等方面出发，介绍非晶态舍金的结构特征及性能特点，分析非晶舍金形成的热力学和动力学条件，探讨非晶合金的玻璃形成能力及其影响因素，简述几种非晶舍金的制备方法、优缺点及适用范围。     

物理气相沉积制备金属玻璃薄膜及其力学性能的样品尺寸效应

金属玻璃薄膜是在金属玻璃的基础上发展出来的一种新型薄膜材料,一方面继承无序原子排列结构所赋予的优异物理、化学和机械性能,另一方面有可能通过调整物理气相沉积工艺,构筑界面,制备纳米结构金属玻璃薄膜,克服块体金属玻璃的本征脆性。近年来,金属玻璃薄膜在各个领域快速发展,引起广泛的关注,已经成为新的研究热点。本文主要通过回顾最近几年关于金属玻璃薄膜制备参数对微观结构和性能的影响以及样品尺寸效应,分析、总结研究工作进展,并对未来可能的金属玻璃薄膜研究进行简单展望,旨在为从事金属玻璃薄膜研究的人员提供参考。     

颗粒物质的堵塞行为与非晶相变

近年来研究发现,颗粒物质堵塞(Jamming)和非晶相变(Glass-transition)这两个看似毫不相干的体系之间有着密切关联:颗粒物质的堵塞与非晶相变、颗粒堆积与非晶结构之间有着惊人的相似性,对颗粒物质堵塞过程的研究被认为是微观非晶转变的宏观化研究.本文概述了颗粒物质堵塞行为的基本特征和颗粒堆积结构等问题的重要研究进展,阐述了颗粒物质堵塞临界行为与非晶相变的内在联系和相互借鉴的科学意义.     

磁控共溅射制备镱铜及镱铜铝非晶合金薄膜

稀土基非晶合金是金属玻璃的重要成员,但由于稀土元素高的活性和金属玻璃苛刻的制备要求导致相关研究进展缓慢,目前新体系非晶合金的制备仍然采用试错的原始方法。本文基于高通量材料基因工程,通过倾斜靶和调控单金属靶功率制备了化学组成连续变化的镱-铜（Yb-Cu）非晶合金金属薄膜,从而快速筛选出非晶形成范围,并且成功制备出YbCu非晶合金薄膜,同时研究了铝对YbCu非晶合金形成的影响,制备了YbCuAl非晶薄膜。当Yb小于44.5～46.5 wt%时薄膜全部为非晶态。AFM结果表明YbCu非晶合金表面光滑无缺陷,高度绝对差仅为31.6 nm,薄膜呈现疏水性,最大疏水角为119°。YbCu和YbCuAl非晶薄膜最大方阻分别为551 mΩ □-1和1738 mΩ □-1,合金元素Al对YbCu非晶薄膜性能产生了显著影响。YbCu(Al)非晶薄膜的成分筛选和制备加快了稀土基非晶新材料的开发。     

非晶合金塑性理论研究进展

非晶合金是一类兼具玻璃和金属双重特性的新型材料,具有一系列优异的力学、物理和化学性能,已经在国防、空天等领域显示出广阔的应用前景。非晶合金内部原子排列长程无序、短程有序,没有位错、晶界等传统意义上的晶体缺陷。因此,基于位错、孪生等微观机制的经典塑性理论在描述这类材料的塑性行为时遇到了极大的挑战。目前普遍认为,非晶合金宏观塑性流动是微观动态“流动事件”时空演化的结果。但是,对于“流动事件”的认知还很不清楚。主要介绍了目前几种代表性的非晶塑性流动理论：自由体积理论、剪切转变理论、剪切转变区理论以及协同剪切模型,并对非晶塑性流动的结构起源以及局部化剪切带机理进行了评述,最后简要展望了非晶塑性机理发展的几个问题。     

Fe基金属玻璃的耐辐照性能研究进展

Fe基金属玻璃具有长程无序结构且内含大量的自由体积,相较于传统耐辐照晶体金属具有不同寻常的结构优势,且由于其具有较低的加工成本、超高的强度、较好的软磁性能与较宽的过冷液相区等优良的理化性质,而得到研究人员的密切关注,被认为或可以作为面向等离子体候选材料应用于聚变装置中,因而关于其耐辐照性能的研究得到了广泛开展。团簇加连接原子模型可以指导金属玻璃组分的设计,获得具有更高玻璃形成能力的Fe基金属玻璃,且具有更大负混合焓的组分原子可以提升金属玻璃的晶化开始温度,为突破尺寸限制以及提高Fe基金属玻璃的稳定性提供了一条崭新的思路。从团簇加连接原子模型设计金属玻璃的角度简述了本课题组研究的两种成分的Fe基金属玻璃Fe80B13Si7及Fe68B25Zr7的选择依据,同时根据国内外研究现状,总结了在离子束辐照下,Fe基金属玻璃的结构、表面形貌、磁性能以及光学性能的变化,探究了其辐照损伤的形成机制,并浅析了Fe基金属玻璃具有较好的耐辐照性能的原因,为其应用于聚变堆环境作为第一镜等构件材料以及开发具有更大极限尺寸、更好耐辐照性能的Fe基金属玻璃的研究提供一定的数据支撑。     

非晶自熔合金粉末M_(80)S_(20)的晶化和相变研究

利用雾化法制取了(Fe、Ni、Cr、W、M0)_(80)(B、Si、C)_(20)金属玻璃粉末,借助于X射线衍射、差热分析、扫描电镜和金相显微镜观察,对该非晶粉末的结构弛豫、径向分布函数、晶化及相转变过程进行了分析。发现该粉末具有较高的热稳定性,其相变过程可分为几个阶段。用热等静压技术将这种自熔合金粉末固化成具有微晶结构的样品,并测试了若干性能。     

块体非晶合金的3D打印成形研究进展

当前,块体非晶合金作为结构材料,其应用不仅面临室温脆性挑战,而且遭遇成形制造瓶颈。解决上述难题已成为近年来材料领域的研究热点与难点之一。近年来发展起来的3D打印技术,已逐渐成为解决块体非晶合金现存困境,实现工程应用的有效途径之一。然而,由于非晶合金具有与晶态材料完全不同的原子结构,3D打印成形中的微观组织演变、缺陷形成与抑制、性能调控等方面的基础理论不同于常规晶态材料,深入剖析上述科学问题对促进块体非晶合金3D打印成形技术的发展具有重要意义。本文依据近年来的国内外研究动态,针对上述问题进行综合分析,并对其发展趋势进行展望。     

金属熔体中的液-液结构转变现象及其对凝固的影响（英文）

液态合金结构和性质的研究一直是凝聚态物理和金属材料科学领域的重要研究方向之一。液态合金并非理想的均质液体,在温度和压力等作用下会发生不连续转变。液-液结构转变广泛存在于金属和合金中,并且对最终凝固组织和性能有着很大的影响。系统阐释金属熔体中液-液结构转变现象,总结液-液结构转变对最终凝固组织和宏观性能的影响等方面的主要研究进展。结果表明,利用熔体液-液结构转变可以有效调控金属及合金的组织,改善其宏观性能。     

过冷液态Zr_(48)Cu_(36)Ag_8Al_8块体非晶合金的相分离及组织演变（英文）

通过X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)和透射电子显微镜(TEM)研究了退火温度对Zr_(48)Cu_(36)Ag_8Al_8金属玻璃微观结构演化的影响。结果表明,快速凝固获得的样品为典型的非晶态结构。当样品在703 K保温20 min时,均一的非晶基体相分离成2种非晶合金,即,发生相分离。由于相分离结构与非晶基体在等温退火过程是竞争的关系,这个结构很容易向晶化态进行转变,形成AlZr_2和AlAg_3相。Zr_(48)Cu_(36)Ag_8Al_8金属玻璃的微观结构在过冷液相区等温退火过程中经历了局部结构转变,相分离以及纳米晶转变,这个过程意味着Zr_(48)Cu_(36)Ag_8Al_8金属玻璃的微观结构对退火温度十分敏感。此外,相分离的形成可以加速纳米晶的形成。     

非晶合金

非晶合全又称为金属玻璃，其微观结构中没有长程有序，只是短程有序，不存在普通金属材料中的晶界，性能上同时兼具了金属和玻璃的特性．随着对于非晶合金形成能力理论研究的深化。     

金属玻璃的结构年轻化及其对力学行为的影响

金属玻璃是高温合金熔体深度过冷至玻璃态转变温度,其内部原子构型来不及有序结晶而形成的玻璃态固体。这类金属键的玻璃体系在原子排列上不存在长程周期性,在热力学上处于远离平衡的亚稳态,在动力学上处于阻塞态。这些特征赋予金属玻璃一系列优异的力学、物理、化学等性能,比如,具有接近理想极限的高强度。然而,金属玻璃的室温塑性变形极易局域化形成纳米尺度的剪切带,导致其宏观塑性十分有限。此外,自发的物理老化会使系统向低能量的平衡有序态转变,进一步削弱金属玻璃在服役过程中的塑性变形能力,表现出老化脆性。近年来,有研究表明,外部能量的输入能够使金属玻璃的结构发生"年轻化",从而达到在拓扑上更加无序的高焓状态。这一反物理老化过程能够有效改善金属玻璃的塑性变形能力,有望同时解决制约这类材料实际应用的剪切带和老化问题。因此,这方面的研究受到越来越多的关注。本文从玻璃的老化和年轻化概念出发,首先介绍了实现金属玻璃结构年轻化的主要方法,随后总结了影响年轻化的各种因素以及结构年轻化对金属玻璃塑性及其他力学行为的影响,并对金属玻璃结构年轻化的物理机制进行了评述。最后,对金属玻璃结构年轻化方面的研究进行了简要总结,并展望了该方面值得进一步研究的若干问题。