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經典綜述鑒賞：全面解讀塊體金屬玻璃

2018-08-09 11:20:28 作者：Nancy、飛絮來源：材料人分享至：

【引言】

非晶態合金又稱為金屬玻璃，具有長程無序、短程有序的亞穩態結構特征。固態時其原子的三維空間呈拓撲無序排列，并在一定溫度范圍內這種狀態保持相對穩定。與傳統的晶體合金相比，非晶合金中不存在類似于晶界等界面缺陷，同時它具有比較穩定的過冷液相區。這些獨特的結構特征使非晶合金具有晶體材料所不具備的優異性能，例如表現出高強度、高韌性、高耐蝕性和高磁導率等優異的力學、物理與化學性能，以及高精密成形加工性等特點。經過幾十年的發展，非晶合金已經成為材料領域的熱點之一。非晶材料的迅猛發展也為研究材料科學和凝聚態物理中一些重要問題的模型體系提供了新思路。

日本東北大學Mingwei Chen教授在NPG Asia Mater.期刊上發表了題為“A brief overview of bulk metallic glasses”的綜述。塊體金屬玻璃（BMGs）的研發，促進了合金材料的實際應用和科學認識，同時也激發了科研工作者的廣泛的研究熱情。非晶態合金具有無序的原子結構和獨特的玻璃-過冷液體轉變的性質，它代表了一類新的結構，同時也是一種具有極高性能的功能型材料。本文首先介紹了BMGS的特性，研究發現：BMGS是目前最強的金屬材料和最軟的金屬材料之一（最強的Co 基非晶態合金的強度高達6.0 GPa, 最軟的Sr 基非晶合金的強度低至300 MPa）；非晶合金是最容易加工成型的金屬材料，也是最耐蝕的金屬材料；它還具有遺傳、記憶等特點。在本文中，作者詳細地對團簇密堆模型進行解釋：非晶合金中存在許多以fcc或者hcp的方式排列的穩定團簇。這些團簇的中心原子是由非晶中含量較少的組元組成，而非晶合金中的基底原子填充在團簇間隙，用溶質與溶劑分別表示少數的組元和多數的基底原子。當填充原子與團簇雜亂無章地“粘連”在一起，就形成長程無序的非晶合金。團簇密堆模型較好地反映了非晶合金結構的特征，可用于解釋研究過程中遇到的一些非常態現象。在參閱并回顧非晶態合金研究的歷史里程碑的基礎上，作者還詳述了金屬玻璃研究中所遇到的幾個問題，全面解讀了BMGs的強度、延展性和玻璃形成能力與原子結構的相關性。最后，就BMG在微電子機械系統、生物醫學中的應用進展展開討論。

【圖文導讀】

圖一非晶態合金的常見形態、微觀結構與熱學性能

（a）通過鑄型鑄造制備的塊體金屬玻璃。樣品的直徑為30 mm（b）BMG典型的高分辨電子顯微圖和電子衍射圖（c）塊體金屬玻璃的差示掃描量熱曲線，顯示了玻璃化轉變和較寬過冷區域的特征

圖二非晶態合金密排模型中單個簇的單位單胞示意圖

（a）密排模型（100）平面的示意圖，表明了簇之間的相互粘結以及每個溶質原子周圍的有效原子堆積數（b）Zr-（Al, Ti）-（Cu, Ni）-Be合金中<12-10-9>模型系統的團簇單位晶胞的一部分

圖三電子束衍射實驗原理圖

（右上方插圖）使用最大光束的半高寬所計算的電子納米探針的三維輪廓

（右下方插圖）與電子衍射花樣相關的納米束尺寸的示意圖

圖四非晶態合金的剪切屈服強度及粘度與玻璃轉變溫度的關系

圖（a）非晶態合金的剪切屈服強度（Thy）與玻璃化轉變溫度的關系。實線對應方程的關系圖，Thy = 3R（Tg-RT）/V，其中R是氣體常數，符號A到O代表不同的合金

（b）粘度與T/T0及σ/σ0的函數曲線圖，其中T0是臨界溫度，σ0是臨界應力。白色曲線對應Log10η0＝5的關系圖

圖五銅原子的原子遷移率與800 K時Cu45Zr45Ag10的局部結構環境之間的關系圖

（a, b）銅原子按位移的遞增順序分為20組。在每組中，<0,0,12,0>多面體的百分比和配位的銀原子數繪制為（a）1.5tα‘的短時間間隔（b）1.5tα’的長時間間隔

（c）基于（b）中所得的位移性能繪制所有原子的三維均方位移圖。等值面表示慢動態和快動態區域，其中Δr2小于252（藍色區域）和大于802（綠色到紅色區域）

（d）三維圖顯示慢動力學區域的等值面和銀原子（粉紅球）的分布。觀察到藍色慢動態區域為銀貧瘠區。立方體尺寸為53×53×533

圖六不同非晶態合金的SEM圖像及應力曲線

（a）DH1和（b）DH3微觀結構的背散射掃描電子顯微圖像（c）室溫拉伸試驗中Vitryly 1、DH1、DH2和DH3的應力-應變曲線

（d）DH3頸縮現象示意圖（e）DH2和DH3試樣拉伸前后對比圖（f）DH3拉伸后表面形貌圖

（g，h）拉伸時DH2和DH3中頸縮現象示意圖（i）BMGs整體脆性斷裂圖

圖七鎂基非晶態合金與結晶鎂合金的動物實驗對比研究

（a，c）非晶態鎂Mg60Zn35Ca5（b，d）晶態鎂合金參照物（WZ21）

在兩種類型的豬腹部組織中（27天后的肌肉（a，b）和91天后的皮下組織（c， d）植入），所有樣品顯示典型的纖維狀膠囊異物反應（用白色箭頭表示），但只有結晶樣品（由虛線表示的植入盤）顯著釋放氫氣（圓盤和纖維狀膠囊之間黑色箭頭指示的區域）

圖八 BMGs的原子力顯微鏡圖像

（a）具有凹形錐體的（100）硅晶片的原子力顯微圖（b）用模具（a）鍛造的BMG的凸納米錐體的原子力顯微圖（c）使用鋯基BMG結合聚焦離子束的方法制備的齒輪模具（d）鉑基BMG制備的模鍛微齒輪

【總結】

非晶材料的發展與制備新方法、實驗技術的進步、新型的非晶體系的研發緊密相關。從急冷法制備出非晶條帶，到助熔劑法制備出大塊非晶合金，再到改變化學成分來提高非晶形成能力、銅模澆注制備出多種塊體非晶合金，每一次非晶合金材料的突破都通過制備方法和新體系的開發引起的。非晶合金領域是科學、技術和應用的有機結合，不同領域的交叉合作將大大促進非晶合金領域的快速發展。近些年來，圍繞非晶的基礎研究、新型非晶材料研發都相繼產生了眾多豐碩的成果。

非晶態合金與結晶合金相比，前者是在非常快的臨界冷卻速率下形成。它具有廣泛的研究價值，例如通過優化BMGs的化學組成可以研究不同環境下的生物腐蝕特性，控制過度降解和析氫速率。作為一種新型結構與功能材料，非晶合金已經在信息與電子器件、精密機械、航空航天器件和體育運動器械等領域開始得到應用，它的優異性能還使其在人體生物材料和化工等領域顯示出重要的應用價值。

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責任編輯：韓鑫

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