引言

作為影響人類文明進展的重要材料之一，玻璃在人們的日常生活和科學研究中扮演著不可或缺的角色。金屬玻璃（又稱非晶合金）作為其中的一員，自1960年被發現以來，因其高比強度、大彈性極限、優異的耐磨、耐腐蝕、耐輻射性能、軟磁等優異性能，在節能環保、能源科技及生物醫學、消費電子等領域展現了廣闊的應用前景。在過去的幾十年里，人們一直致力于理解和提高金屬玻璃的玻璃形成能力，實現對其宏觀性能的綜合調控，進而更好地發揮金屬玻璃性能的優勢，拓展其應用領域。然而，懸而未決的金屬玻璃形成能力之謎仍然是當前制約大塊金屬玻璃應用的關鍵瓶頸之一。如何突破金屬玻璃形成能力的束縛制備大塊金屬玻璃是國際上長期以來關注的焦點科學問題。

成果簡介

近日，深圳大學機電與控制工程學院與北京計算科學研究中心、中科院力學所、中科院物理所、香港城市大學等單位合作，基于金屬玻璃表面原子的本征快動力學及其在周期性外場下顯著增強的特征，提出了室溫低應力超聲焊接方法，突破了金屬玻璃形成能力的約束，有效地制備出大塊單相金屬玻璃以及過去從未報道過的多相金屬玻璃復合材料。

首先，運用計算模擬與理論分析，研究人員研究了金屬玻璃表面原子重排激活能與體相原子的顯著差異，澄清了其表面原子快動力學（擴散）的物理機制；為了進一步確定金屬玻璃的表面激活特性，研究人員利用動態掃描探針顯微技術表征Zr基金屬玻璃膜的粘彈性損耗性質，發現在遠低于玻璃轉變點的溫度下，金屬玻璃薄膜在超聲應力作用下具有很高的內耗，基本接近于在玻璃轉變點的大塊樣品中觀察到的內耗。這說明如果給定一個合適的高驅動頻率，金屬玻璃表面的快速鍵合過程可以被有效地激活。原子尺度的計算模擬也有力地證實了周期性外力場下表面原子擴散的進一步增強可實現金屬玻璃表面的有效粘接。進而，研究人員提出了運用低溫低應力超聲焊接方法，以帶材為原料制備塊體金屬玻璃的設想。

為了對以上設想進行驗證，研究人員進行了金屬玻璃帶材的超聲振動粘合實驗。超聲沖頭以20000 Hz的頻率，30~50 MPa的應力下對帶材碎屑進行循環加載，發現帶材在高頻應力的作用下粘合成塊體狀態，且制備塊體的密度、硬度等性能與傳統鑄態相比，無明顯差異性。基于該方法，研究人員還創新性地制備了此前從未被報道過的多相金屬玻璃塊體復合材料——多種不同體系的金屬玻璃帶材碎屑以不同的比例混合均勻，在超聲沖頭的作用下，碎屑凝聚成塊體，從而形成兩相、三相甚至多相的金屬玻璃塊體復合材料。

圖文導讀

圖1. 超聲振動作用下鋯基金屬玻璃表面的快速粘合。

（A）通過超聲振動制造大塊非晶合金的示意圖。（B）和（C）在持續振動過程中沖頭的位移隨時間變化。（D）金屬玻璃帶狀原料的照片。（E）由帶狀原料制成的大塊鋯基非晶樣品的照片。（F）和（G）不同體系金屬玻璃鑄態和超聲制備大塊樣品的密度及硬度比較。

圖2. 多相金屬玻璃復合材料的制備。

（A）和（B）帶狀原料利用超聲振動合成單相和多相金屬玻璃的示意圖。（C）和（D）單相和多相金屬的X射線衍射圖。（E）La（鑭）基和Pd（鈀）基雙相金屬玻璃的SEM圖像。（F）雙相金屬玻璃的HRTEM圖像。（G）選定區域R1、R2和R3的衍射圖案。（H）用EDS分析雙相金屬玻璃的元素分布。

總結

該項工作基于金屬玻璃獨特的表面動力學特性，創新性地提出了室溫低應力超聲焊接方法，實現金屬玻璃單相、多相塊體材料的有效制備，為金屬玻璃的制備與性能調控提供了全新方法與獨特視角，有望成為實現該類材料智能設計與按需制備的創新性技術支撐。

相關研究成果近日發表于Science子刊Science Advances,（Sci. Adv. 5,eaax7256, 2019），第一作者為馬將研究員，通訊作者為龔峰研究員，管鵬飛研究員，汪衛華研究員，楊勇教授。這項工作得到了國家自然科學基金委項目51871157, 51571011，廣東省自然科學基金2016A030310043，深圳市自然科學基金JCYJ20170412111216258, JCYJ20160520164903055，香港特別行政區一般研究項目CityU11213118, CityU11209317以及國家自然科學基金委-中物院聯合基金U1930402的支持。

文章鏈接：Fast surface dynamics enabled cold joining of metallic glasses, DOI: 10.1126/sciadv.aax7256, https://advances.sciencemag.org/content/5/11/eaax7256