導讀：為了緩解金屬玻璃在室溫下主要剪切帶的機械不穩定性，本文引入了拓撲異質結構來促進輕微剪切帶。與以往對拓撲結構的關注不同，我們提出了一種組成設計方法，通過構建納米尺度的化學異質性來增強在壓縮和拉伸過程中的均勻塑性流動。這個想法在一種Ti-Zr-Nb-Si-XX/Mg-Zn-Ca-YY的分層納米結構非晶合金中得到了實現，其中XX和YY代表其他元素。該合金在壓縮過程中表現出約2%的彈性應變，并經歷了約40%的均勻塑性流動（伴有應變硬化），超過了單相和異質結構的金屬玻璃的性能。此外，在塑性流動過程中，納米顆粒之間發生了動態原子混合，防止了可能的界面失效。我們通過化學上不同的納米顆粒設計和界面上的動態原子混合，為開發具有超高強度和大塑性的非晶材料開辟了一條途徑。

均勻塑性流動是金屬玻璃在尺寸縮小至亞100納米級時的一種延展變形模式，不同于剪切帶的形成。計算模擬已經展示了均勻塑性流動對金屬玻璃納米結構的優勢。進化算法能夠搜索具有優異玻璃形成能力的金屬玻璃候選材料，從而優化現有的金屬玻璃?；跈C器學習的模型可以預測不同金屬玻璃系統的結構異質性，并將其結構與力學性能相關聯。分子動力學模擬展示了多尺度建模，證明了異質金屬玻璃（納米玻璃或納米層狀復合材料）具有增強的均勻變形能力。然而，在實驗中，要實現模擬中那樣的非常大的異質性是困難的，而且機械應變速率要低得多（約10^-3 s^-1與約10⁷ s^-1相比）。將晶態相添加到非晶基體中是增強塑性性能的一種有效實驗方法，這是由于晶態相內的位錯運動和非晶基體中的多次剪切帶事件所導致的。

通過將晶態相的尺寸縮小到晶玻合金中的亞10納米，可以實現納米尺寸非晶相的受限塑性流動，這是由于晶態和非晶態相的固有尺寸小和機械響應的差異所致。因此，我們構想了在完全非晶合金中引入具有較大機械差異的納米結構領域的想法，以實現無成熟剪切帶的受限塑性流動。每個非晶納米結構領域的組成設計可以引入較大的機械差異。然而，為了在制造的材料中實現分離的非晶領域（圖1a），需要某些組成元素具有正的混合焓，這實際上會降低玻璃形成能力。這表明傳統的自上而下的制備方法，通常包括淬火和后退火，可能更有利于結晶。

西安交通大學吳戈教授團隊使用一種自下而上的制備方法，交替沉積預設計的納米結構領域。磁控濺射沉積與模板基底或通過高通量方法的共濺射沉積是制備具有水平方向組成梯度的材料的有效方法，從而可以實現不同的微觀結構。這些策略在開發復雜組成的晶體和非晶合金方面顯示出優勢。本研究的目的是在水平和垂直方向上制備具有分層納米結構組成的材料，這與上述策略不同。每個納米結構領域中的組成元素具有較大的負混合焓，以保證非晶結構，而兩個納米結構領域的主要組成元素具有正混合焓，減小了相互擴散的驅動力。盡管相鄰非晶納米結構領域的主要組成元素需要正混合焓，但混合焓的值不應過大，這為合金設計提供了指導。分析常用金屬元素的原子對混合焓（附錄表1），并用綠色突出顯示小正值，表明相鄰非晶納米結構領域的潛在主要組成元素。例如，鈦和鎂的混合焓為16 kJ/mol，因此鈦基和鎂基非晶合金是相鄰非晶納米結構領域的良好候選材料。相關研究成果以題“Substantially enhanced homogeneous plastic flow in hierarchically nanodomained amorphous alloys”發表在期刊Nature Communications上。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39296-6

圖1

a合金設計策略的示意圖如圖所示。A、B、C、D、E...是非晶領域的組成元素，其中兩個領域的主要元素（A和E）的混合焓為正值（ΔHA,E > 0），而每個領域的組成元素的混合焓為負值（ΔHA,B,C,D,… < 0, ΔHE,F,G,H,… < 0）。b是典型的亮場平面視圖和側視透射電子顯微鏡圖像。c是從圖中虛線方框區域探測得到的HAADF-STEM放大圖像。插圖顯示了相應的SAED圖案。d、e是從側視進行的鈦和鎂的EDS映射。

圖2

這里，單相和異相非晶合金分別表示具有均勻和不均勻結構的非晶合金。a是在相同條件下在室溫下測試的柱樣品的壓縮工程應力-應變曲線。高度/直徑比為2，直徑為1微米。箭頭標記了樣品的屈服點。插圖是一個經過壓縮的柱狀樣品（具有分層納米結構的非晶合金）的掃描電子顯微鏡圖像，顯示了大約30%應變下的均勻塑性變形，沒有剪切帶的出現。b-d是相應的Mg-Zn-Ca非晶合金、Ti-Zr-Nb-Si非晶合金和分層納米結構非晶合金柱在壓縮后的掃描電子顯微鏡圖像。其中(b)和(c)中的一些剪切帶被紅色箭頭標示出來。e是在室溫下通過微柱壓縮測試得到的分層納米結構非晶合金相對于其他單相或異相非晶合金的屈服強度與楊氏模量的歸一化值（σy/E）的對比圖。分層納米結構非晶合金的楊氏模量為80 GPa，通過納米壓痕測試得到。誤差棒表示σy/E和應變值的標準偏差。

圖3

a-c是不同應變下的材料的HAADF-STEM圖像，其中(a)是從沉積樣品（0%應變）探測得到的，(b)是從一個壓痕下的變形區域探測得到的（附圖5，應變為13%），(c)是從一個壓縮納米柱（紅色曲線樣品，附圖4，應變大于70%）探測得到的。在(b)中的應變是基于非晶領域厚度減少百分比計算得到的。d是應變大于70%的變形區域的BF-STEM圖像。迷宮狀的圖案確認了其非晶結構。e-g是(a-c)中白色箭頭所示的變形區域的1D成分剖面，顯示了跨越納米領域的元素濃度差異的幅度隨著應變增加而減小。

 圖4

a 這兩個非晶領域“玻璃1”和“玻璃2”具有不同的組成和楊氏模量。在均勻塑性流動過程中，動態原子混合減小了非晶領域之間的組成差異，阻礙了近平衡相的形成。b 分層納米結構非晶合金（紅色曲線）及其組成非晶領域（藍色和黑色曲線分別代表Ti-Zr-Nb-Si-XX和Mg-Zn-Ca-YY領域）的示意應力-應變曲線。在塑性流動過程中，原子混合減小了兩個非晶領域之間的模量差異，降低了應力集中并防止了界面失效。

圖5

a 原位透射電子顯微鏡（TEM）樣品設置，顯示電子束（視圖）和拉伸方向。b-f 是在拉伸過程中分層納米結構非晶合金的亮場TEM圖像，其中b、c是在開裂之前，d-f是在開裂過程中。黃色標題表示瞬時時間，其中t0和t1是兩個初始時間。材料在開裂之前經歷了7.8%的應變，并且在開裂過程中顯示了納米橋接行為。g、h是放大了（f）中指示區域的高分辨率TEM圖像。該區域的長度和寬度分別從23.4納米變化到27.7納米和26.7納米變化到25.0納米，顯示了在拉伸過程中的塑性流動行為。i是分層納米結構非晶合金在拉伸過程中的示意圖。材料在開裂之前經歷了延展。裂紋從非晶顆粒間殼層中產生，并且它們的擴展可以被非晶顆粒區域阻礙。隨后，這些區域經歷均勻塑性流動，橋接了裂紋。j-l是Mg-Zn-Ca和Ti-Zr-Nb-Si參考非晶合金在拉伸過程中的亮場TEM圖像，顯示了從剪切帶前沿開始的開裂。m是參考非晶合金在拉伸過程中的示意圖，顯示了裂紋從剪切帶中的傳播。

總結起來，我們開發了具有Ti-Zr-Nb-Si-XX和Mg-Zn-Ca-YY非晶納米領域之間化學差異的分層納米結構非晶合金。利用納米尺度下非晶領域的固有尺寸效應，我們抑制了剪切帶的產生，從而促進了屈服后均勻塑性流動的激活。該材料表現出1.6 GPa的屈服強度和約40%的均勻變形，超過了大多數金屬玻璃。在均勻塑性流動過程中的高機械穩定性是由于動態原子混合，降低了非晶領域之間的楊氏模量不匹配，從而防止了應力集中引起的界面失效。這些發現展示了一種基于化學上不同的納米領域和變形過程中的動態原子混合的納米結構設計方法，用于金屬玻璃。研究表明，這種納米結構設計方法使非晶合金具備了超高強度和大變形能力，克服了室溫下非晶材料的脆性。這種強韌的納米結構非晶薄膜可能在承載微電子機械系統和柔性器件等廣泛應用中發揮作用。