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科學(xué)家用材料基因工程方法發(fā)現(xiàn)高溫非晶合金

2019-05-09 09:58:20 作者：本網(wǎng)整理來源：中科院之聲分享至：

在合金材料中，非晶合金（又稱金屬玻璃）是一類新型的多組元合金。它們有獨(dú)特的無序原子結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)和物理化學(xué)特性，吸引了材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理等多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注。非晶合金既可以具有高達(dá)6.0 GPa、比普通鋼材高出15倍的強(qiáng)度（如Co基非晶合金），又可以像塑料一樣進(jìn)行超塑性加工。非晶合金的多組元特點(diǎn)提供了海量的元素配比，使得性能調(diào)控可以在極寬的成分范圍實(shí)現(xiàn)，為非晶合金提供了廣闊的應(yīng)用場景。例如，軟磁性能優(yōu)異的鐵基非晶合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于變壓器、高速電機(jī)等高附加值產(chǎn)品。然而，非晶合金的元素多樣性所帶來的成分復(fù)雜程度也嚴(yán)重阻礙了高性能新材料的設(shè)計(jì)和有效開發(fā)。60年來，全世界近百個(gè)研究組僅獲得十多個(gè)可以大規(guī)模應(yīng)用的非晶合金成分，大量具有特殊性能的非晶合金材料還沒有被發(fā)現(xiàn)。

對非晶合金而言，最重要、最基本的參量是非晶形成能力，因?yàn)樗苯記Q定了某種合金成分能形成多大尺寸的完全非晶態(tài)材料并表現(xiàn)出非晶合金特有的性能。探索非晶形成能力強(qiáng)的合金體系一直是非晶合金領(lǐng)域的核心科學(xué)問題，關(guān)系到非晶合金工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題。但是非晶合金的形成過程涉及物理、化學(xué)、材料等多學(xué)科交叉基礎(chǔ)問題和多體相互作用，其復(fù)雜性使得現(xiàn)有的理論和計(jì)算模擬尚不能精確預(yù)測合金成分。多年來，非晶合金的開發(fā)始終停留在傳統(tǒng)的“試錯(cuò)法”階段，探索過程低效、漫長，致使非晶合金的材料創(chuàng)新面臨重大挑戰(zhàn)和瓶頸。

材料基因工程是近年來以加速材料研究和材料探索為主要目標(biāo)的新理念，其中的高通量實(shí)驗(yàn)是在海量樣品中直接優(yōu)選新材料、獲取實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)的基本手段。在高通量實(shí)驗(yàn)中，組合制備能夠?qū)崿F(xiàn)系列樣品的平行合成，結(jié)合結(jié)構(gòu)和性能的高通量表征，材料基因工程可在短時(shí)間內(nèi)篩選出具有預(yù)期特性的新材料，大幅提高新材料研發(fā)的效率。

近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心柳延輝、汪衛(wèi)華研究組和美國耶魯大學(xué)、約翰霍普金斯大學(xué)、日本東北大學(xué)組成合作團(tuán)隊(duì)，采用材料基因工程理念開發(fā)了獨(dú)特的高通量實(shí)驗(yàn)方法，在高性能非晶合金的成分設(shè)計(jì)和探索中取得突破，實(shí)現(xiàn)了非晶合金的快速篩選，研制出高溫高強(qiáng)非晶合金材料新體系。高通量實(shí)驗(yàn)方法在非晶合金領(lǐng)域創(chuàng)造性的應(yīng)用，有望突破成分多樣性和復(fù)雜性造成的非晶合金材料探索所遇到的瓶頸，解決非晶合金的形成能力問題，實(shí)現(xiàn)非晶合金新材料的高效探索，獲得更多高性能非晶合金材料，拓寬非晶合金在高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

該團(tuán)隊(duì)充分利用已知的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則和物理量關(guān)聯(lián)關(guān)系，設(shè)計(jì)了一個(gè)全新的、有可能具有強(qiáng)的非晶形成能力的Ir-Ni-Ta-（B）材料體系。但是，這些元素配比的排列組合千變?nèi)f化，很難預(yù)測哪些具體成分有更強(qiáng)的非晶形成能力，用傳統(tǒng)的“試錯(cuò)法”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證又耗時(shí)耗力。采用材料基因工程的思路，柳延輝、汪衛(wèi)華團(tuán)隊(duì)用多靶磁控濺射共沉積技術(shù)制備出同時(shí)含有上千種合金成分的組合樣品，通過高通量結(jié)構(gòu)表征初步確定了非晶形成成分范圍。利用非晶合金的電阻率和非晶形成能力的關(guān)聯(lián)，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了用以判斷非晶形成能力的高通量電阻測量方法，在Ir-Ni-Ta-（B）合金體系中確定了最佳的非晶形成成分范圍，并獲得了具有優(yōu)異綜合性能的高溫塊體非晶合金。

和以往的高通量實(shí)驗(yàn)方法相比，該團(tuán)隊(duì)提出的新方法具有高效性、無損性、易推廣等特點(diǎn)。該方法不需要對組合樣品進(jìn)行任何預(yù)處理或后續(xù)處理，測試周期短，1-2小時(shí)即可在成千上萬種合金中確定最佳的非晶形成成分范圍；所用的測量和表征手段不會造成組合樣品的損傷，在同一成分點(diǎn)可對多個(gè)物理參量進(jìn)行測量，在建立物理參量的關(guān)聯(lián)關(guān)系時(shí)能夠確保精度；高通量電阻測量設(shè)備價(jià)格低廉，能被廣大實(shí)驗(yàn)室接受，有利于更多研究團(tuán)隊(duì)開展高通量實(shí)驗(yàn)工作。

非晶合金是亞穩(wěn)態(tài)金屬材料，在一定的溫度下會發(fā)生老化或轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)合金，喪失非晶態(tài)的優(yōu)異性能。因此，非晶合金的服役溫度需要在其玻璃轉(zhuǎn)變溫度之下。目前，絕大部分非晶合金的使役溫度在300℃左右，這導(dǎo)致其應(yīng)用在很多領(lǐng)域受限。該團(tuán)隊(duì)采用材料基因工程理念研發(fā)的Ir-Ni-Ta-（B）非晶合金在高溫力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、加工成型性能、耐蝕性、抗氧化等方面表現(xiàn)出前所未有的綜合優(yōu)勢。Ir-Ni-Ta-（B）非晶合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度超過800℃，比目前工程應(yīng)用最為廣泛的鋯基非晶合金高出400℃。在常溫下，Ir-Ni-Ta-（B）非晶合金的強(qiáng)度約為5.1 GPa，是普通鋼材的10倍以上，即使在超過700℃的高溫條件下，Ir-Ni-Ta-（B）非晶合金仍能保持3.7 GPa的強(qiáng)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的高溫合金和高熵合金的強(qiáng)度。

除了高溫強(qiáng)度，Ir-Ni-Ta-（B）高溫非晶合金還表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在玻璃轉(zhuǎn)變溫度以上具有超塑性，可通過超塑性成型工藝被加工成各種形狀的高精密零部件。此外，Ir-Ni-Ta-（B）非晶合金還具備耐蝕和抗氧化的特點(diǎn)，可在王水中浸泡數(shù)月而不被腐蝕，在高溫環(huán)境中也難以被氧化，說明用這些新型非晶合金制成的零部件不僅能在高溫條件下服役，而且能在惡劣環(huán)境中使用。Ir-Ni-Ta-（B）高溫非晶合金展現(xiàn)出的綜合性能打破了非晶合金只能在常規(guī)環(huán)境中使用的限制，為設(shè)計(jì)開發(fā)新型高溫材料提供了新的視角。

非晶合金自被發(fā)現(xiàn)以來由于其高性能而在能源、通訊、航天、國防等高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，被認(rèn)為是繼鋼鐵、塑料之后的新一代工程材料。該團(tuán)隊(duì)發(fā)展的高通量實(shí)驗(yàn)方法顛覆了非晶合金領(lǐng)域60年來“炒菜式”的材料研發(fā)模式，證實(shí)了材料基因工程在新材料研發(fā)中的有效性，為解決非晶合金新材料探索效率低的難題開辟了新的途徑，同時(shí)也為新型高溫、高性能合金材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路。相信在不久的將來，更多、性能更優(yōu)異的非晶合金材料將不斷涌現(xiàn)出來。

博士研究生李明星是這項(xiàng)工作的第一作者，研究員柳延輝是通訊作者。上述研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB0701900）、“973”項(xiàng)目（2015CB856800）、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11790291，61888102）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃（QYZDY-SSW-JSC017）和先導(dǎo)B專項(xiàng)（XDB30000000）、北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心、國家杰出青年科學(xué)基金（51825104）等的支持。

相關(guān)研究結(jié)果最近發(fā)表在《自然》（Nature）上。