晶合金由于無序原子堆垛結構而顯示的高強度、高彈度和耐腐蝕性能一直成為材料領域的研究熱點。如果要把非晶合金的應用進一步擴展到新領域，可能會遇到一個有趣的問題：非晶合金可以燃燒嗎？

為了回答這一科學問題，北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室呂昭平教授團隊選擇具有較大非晶形成能力且成分簡單的Zr基塊體非晶合金作為研究對象，開展實驗和理論研究，揭示了非晶合金的燃燒機制。國際腐蝕領域知名學術期刊Corrosion Science于2022年6月2日以“Combustion behavior and mechanism of Cu46Zr46Al8 bulk metallic glass in oxygen-enriched environments”為題在線刊發了他們的研究結果。

材料學家們首先選定Cu46Zr46Al8非晶合金和相同成分的晶體合金，在專門燃燒實驗裝置中，精心設計了不同氧壓條件下的自然中斷和強行中斷的燃燒實驗。通過觀察，記錄燃燒現象，同時對搜集到的所有煙塵、熔滴、灰燼和殘渣等燃燒產物進行XRD、TEM和SEM/EDS實驗分析，還原了非晶合金與晶體合金的燃燒過程和不同。

研究將非晶合金的燃燒過程分為初始點燃和穩定燃燒兩個階段。

在初始點燃階段，通過引燃物要達到自持熱化學反應條件，即合金發生局部熔化而形成初始熔池，由于熔化的金屬成分在富氧環境下與氧發生反應放熱，這一放熱過程加劇了熔池湍流，使熔池表面的氧化層破裂，加速了氧向熔池中的擴散，從而導致熔池升溫到燃燒門檻溫度，當燃燒放熱和熔體吸熱達到平衡時就進入了穩定燃燒階段，直到燃燒怠盡。

在穩定燃燒階段，非晶合金中的Zr和Al元素在高溫熔池表面氣化，因此穩定燃燒有液相燃燒和氣相燃燒的兩種模式。而燃燒模式則由合金元素和氧化物熔點和沸點差異來決定。當氧化物的沸點高于純元素的沸點時，就會發生氣相燃燒，反之，當元素的熔點低時則發生液相燃燒。而對于Zr基非晶來說，由于合金中鋁的沸點遠遠低于氧化鋁的沸點，因此是氣相燃燒模式。

進一步地，研究人員通過一種實時精密測量系統，測定了在穩定燃燒時熔池形成熔滴而滴落的時間、熔滴質量等重要數據，計算了燃燒速率，還對氧壓對燃燒的影響進行了分析。通過與同一成分的晶體合金實時燃燒行為以及燃燒熱力學和動力學效應進行對比，發現Zr基非晶合金燃燒與燃燒過程中吸氧速率和氧化物行為以及氧壓門檻值密切相關，吸氧速率隨著氧壓增大而與氧壓呈指數、線性和穩態三個階段，而且Zr基非晶合金相比晶體合金具有更低的氧壓門檻值和更低的燃燒激活能，表明相對于相同成分的晶體合金，Zr基非晶合金更易燃，同時具有更高的燃燒熱值和更快的燃燒速度。

研究人員的這些發現有助于拓展非晶合金在航空航天等應用領域，同時為提高現有特定組分固體推進劑和燃燒劑等含能材料的釋能性能提供了新的思路，即：在不改變現有傳統Mg基和Al基合金的含能材料合金成分的情況，可進一步提高體積能量密度和能量釋放速率。

論文的第一作者是來自北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室的博士生喻嘉彬，呂昭平教授團隊成員王輝博士為通訊作者，研究工作得到國家自然科學基金委員會的資助。

論文詳見：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110415

經過計算的同一成分的Zr基非晶合金和晶體合金的燃燒激活能

a)實時測量的燃燒過程中的質量變化；b)實時測量的燃燒液滴在不同氧壓下的質量。

a)氧壓與合金合金燃燒長度的關系；b)氧壓門檻值與燃燒長度的關系；c)非晶合金和晶體合金的的能量示意圖。