Zr65Al7.5Ni10Cu17.5金属玻璃非均匀塑性变形过程中的自由体积演化

利用差示扫描量热法研究了铸态和退火态Zr65Al7.5Ni10Cu17.5金属玻璃在冷轧过程中的自由体积演化.随着塑性变形的进行,自由体积含量先增加,然后于临界应变之上达到饱和,在此过程中材料则始终维持在完全非晶状态.金属玻璃的初始自由体积含量少,变形过程中自由体积增加的速度大,因此不同初始状态的金属玻璃在大塑性变形后自由体积含量彼此接近.剪切带中的自由体积聚合形成纳米孔洞是自由体积在大应变下达到饱和的原因.     

金属玻璃的过去、现在和未来

金属玻璃(又称非晶合金)是一类原子结构长程无序、短程有序的金属材料。它是通过急冷、高压、强变形、先进制造等现代技术工艺以及熵或序调控理念合成的,兼具金属、玻璃、液体、固体和软物质等物态特性的新型金属材料,也是玻璃家族的新成员。金属玻璃突破了金属材料原子结构有序的固有概念,颠覆了传统金属材料从成分和缺陷出发设计和制备的思路,把金属材料的强度、韧性、弹性、抗腐蚀、抗辐照等性能指标提升到前所未有的高度。它对金属材料的研发、结构材料、绿色节能、磁性材料、催化、信息等领域产生深刻的影响,同时催生了准晶、高熵合金、复杂合金、高熵金属玻璃、非晶基复合材料等新金属材料体系,彻底改变了古老金属和玻璃领域的面貌。金属玻璃的发明和研究虽然只有不到百年历史,但已经在军工航天等高技术、绿色节能、信息电子器件、催化、防腐等领域有广泛的应用,也为研究材料科学、凝聚态物理、复杂体系中一些重要科学问题提供了独特的模型体系,并成为凝聚态物理的一个重要分支学科。文章回顾了近百年来金属玻璃研究和研发的历程,分析了当前该领域的前沿科学问题、发展方向、重要进展、机遇和挑战,以及在高新技术领域的应用,并探讨了金属玻璃及其相关领域如地外玻璃的发展前景。     

金属玻璃的过去、现在和未来

金属玻璃(又称非晶合金)是一类原子结构长程无序、短程有序的金属材料。它是通过急冷、高压、强变形、先进制造等现代技术工艺以及熵或序调控理念合成的,兼具金属、玻璃、液体、固体和软物质等物态特性的新型金属材料,也是玻璃家族的新成员。金属玻璃突破了金属材料原子结构有序的固有概念,颠覆了传统金属材料从成分和缺陷出发设计和制备的思路,把金属材料的强度、韧性、弹性、抗腐蚀、抗辐照等性能指标提升到前所未有的高度。它对金属材料的研发、结构材料、绿色节能、磁性材料、催化、信息等领域产生深刻的影响,同时催生了准晶、高熵合金、复杂合金、高熵金属玻璃、非晶基复合材料等新金属材料体系,彻底改变了古老金属和玻璃领域的面貌。金属玻璃的发明和研究虽然只有不到百年历史,但已经在军工航天等高技术、绿色节能、信息电子器件、催化、防腐等领域有广泛的应用,也为研究材料科学、凝聚态物理、复杂体系中一些重要科学问题提供了独特的模型体系,并成为凝聚态物理的一个重要分支学科。文章回顾了近百年来金属玻璃研究和研发的历程,分析了当前该领域的前沿科学问题、发展方向、重要进展、机遇和挑战,以及在高新技术领域的应用,并探讨了金属玻璃及其相关领域如地外玻璃的发展前景。     

华人在金属玻璃领域的重要贡献

2022年是国际玻璃年。金属玻璃(又称非晶合金)是一类原子结构长程无序、短程有序,兼具金属、玻璃、液体、固体和软物质等物态特性的新型金属材料,也是玻璃家族的新成员。快速发展的金属玻璃材料已经在军工航天等高技术、绿色节能、信息电子器件、催化、防腐等领域有着广泛的应用。在这个新型玻璃领域中,华人科学家作出了卓越的贡献。文章回顾了近百年来金属玻璃研究和研发历程中华人科学家的重要贡献,并对未来中国在金属玻璃领域的发展和贡献进行展望。     

铈基块体金属玻璃的研究进展

Ce基块体金属玻璃是中国科学院物理研究所首先开发出来的具有自主知识产权和独特性能的非晶合金体系. 主要介绍该材料的开发和相关的研究进展, 包括其合成、基本特性、物理性能及潜在的应用. 对目前国际上该合金的研究情况和进一步的研究方向也进行了分析.     

锡元素对Ni-Nb-Zr块体非晶合金玻璃形成能力和力学性能的影响

本文研究了添加锡元素(Sn)对Ni-Nb-Zr三元系玻璃形成能力和力学性能的影响.实验结果表明,一定量Sn的添加有利于提高该合金系的玻璃形成能力.对于Ni61Nb35.5–xZr3.5Snx(x=0,1,2,3,4,5,6,7at.%)合金系列,当x=1时具有最大的玻璃形成能力,通过铜模浇注可得直径至少3mm的纯非晶样品.随着Sn含量增加,合金的玻璃     

金属玻璃异常放热现象与隐藏非晶相变研究进展

金属玻璃因其简单的金属键结合及原子密堆积结构而成为研究非晶物理的理想材料模型。解开玻璃形成液体的微观结构可以探寻玻璃形成能力的秘诀。许多非晶合金体系在玻璃转变点以上、结晶温度以下表现出异常放热现象,暗示在超过冷液相区间隐藏着非晶相变,这一现象的微观结构本质困扰了学界逾四十年。近来,中子和同步辐射散射等大科学装置的发展为揭示隐藏非晶相变的机制提供了原位、无损以及从原子到纳米级别的多尺度"探针"。最新研究发现Pd-Ni-P这一典型的具有异常放热现象的原型非晶合金在临界转变温度处发生了重入超过冷液体转变,其内在微观机制为中程有序结构的演变所导致的液-液相变。同时通过恰当的热处理,人们可以方便地调控这一类非晶合金的微观结构。经过统计几种具有异常放热现象的典型金属玻璃体系的热物理参数,发现异常放热峰可能与玻璃形成能力有一定的关联。金属玻璃中的异常放热现象及其隐藏的非晶相变为开发新型非晶合金体系并改进合金的性能提供了新的思路。     

Zr65Al7.5Ni10Cu17.5金属玻璃非均匀塑性变形过程中的自由体积演化

利用差示扫描量热法研究了铸态和退火态Zr₆₅Al_7.5Ni₁₀Cu_17.5金属玻璃在冷轧过程中的自由体积演化. 随着塑性变形的进行, 自由体积含量先增加, 然后于临界应变之上达到饱和, 在此过程中材料则始终维持在完全非晶状态. 金属玻璃的初始自由体积含量少, 变形过程中自由体积增加的速度大, 因此不同初始状态的金属玻璃在大塑性变形后自由体积含量彼此接近. 剪切带中的自由体积聚合形成纳米孔洞是自由体积在大应变下达到饱和的原因.     

液体基底表面金属薄膜的特殊力学性能及复杂有序结构

利用真空热蒸发方法在液体(硅油)基底表面制备了铝、铁等多种具有自由支撑边界条件的金属薄膜系统, 研究了其特殊的力学性能及由此引起的复杂表面有序结构. 实验结果表明, 此类薄膜中存在自边界向内部区域呈不断衰减的压应力场, 导致裂纹在薄膜边界处凝聚产生并逐渐往薄膜纵深区域延伸. 由于固体薄膜和液体基底之间的切向作用能几乎为零, 金属薄膜可较自由地在硅油表面作整体滑移运动. 伴随着压应力的不断释放, 裂开后的薄膜片之间发生碰撞挤压并逐渐相互穿插叠加, 最终形成具有反对称特征的带状有序结构. 基于此类薄膜系统特殊的力学行为, 对有序结构的形貌特征和生长机理进行了详细的分析讨论.     

硬磁性Nd60Al10Fe20C010大块金属玻璃的磁畴结构

运用磁力显微镜对硬磁性Nd60All0Fe20Col0大块金属玻璃(BMG)的磁畴结构进行了研究.结果表明,制备态材料中存在黑白磁斑相邻的微磁结构,磁畴的平均尺度约为360 nm.这种磁畴结构与Nd基BMG的硬磁性是紧密相关的.由于BMG中存在的短程有序原子团簇的尺度只有几纳米量级,因而磁力图上亚微米尺度的黑白磁斑是由大量的原子团簇在强烈的交换耦合作用下磁矩平行排列形成的.而完全晶化的材料则呈顺磁性,其磁力图上已无明显的磁反差,但仍分布着一些间距较大的平均尺度为900 nm的低矫顽力铁磁晶态相.     

无序材料中的待解之谜——金属玻璃研究进展

金属玻璃是1960 年被发明的新材料,多年以来被各国科学家广泛而深入地研究。与相应的晶态合金相比,这种材料展现出非常独特的力学与物理性能,使之在多个领域都有广阔的应用前景。同时,金属玻璃作为结构无序材料中一类相对简单的代表体系,是研究非晶态物理的一个比较理想的材料模型。解决金属玻璃中的基本科学问题,比如它的结构表征、形变机理、玻璃转变、玻璃形成能力等,不仅可以促进金属玻璃本身的应用,而且也将推动整个凝聚态物理学的发展。     

块体金属玻璃过冷液相的高热稳定性与非晶形成能力的原子机制

过去几十年里,从原子尺度理解块体金属玻璃形成过冷液相特性与微结构的关系吸引了材料学家和凝聚态物理学家极大的关注,是此类先进工程金属材料得到实际开发应用的关键之所在。本文综述了前期有关块体金属玻璃有序原子团簇结构随热处理或微量元素添加,演化及其对过冷液相热稳定性、晶化行为和玻璃形成能力影响的研究成果;并聚焦在块体金属玻璃过冷液相中的两类不同原子团簇,即类二十面体原子团簇和类晶体原子团簇。这两类原子团簇的共同存在是块体金属玻璃高热稳定性和纳米晶化的重要因素。通过微合金可以调控过冷金属液相中原子团簇的结构和体积分数,从而进一步推进它们的实际工程或功能性运用。     

基于AFM的淋巴瘤细胞成像及其机械特性测定

原子力显微镜(AFM)以其独特的成像方式, 为在细胞水平和分子水平获取细胞生理状态的新认识提供了技术手段. 研究了近生理环境下基于AFM的Burkitt淋巴瘤(Burkitt’s lymphoma, BL)细胞成像及其机械特性的测定, 探索了基于多聚赖氨酸的悬浮细胞固定方法, 并在此基础上实现了AFM对BL细胞表面形貌及其超微结构的高分辨率成像; 对活体BL细胞以及戊二醛固定后的BL细胞的机械特性进行了测定, 验证了Hertz模型对BL细胞机械特性描述的有效性, 同时揭示了戊二醛的引入将导致BL细胞硬度的显著增加. 实验结果为近生理环境下悬浮细胞的高分辨率形貌表征和机械特性测定提供了技术思路和实验方法, 同时为在单细胞尺度上探索可用于疾病早期快速诊断和个性化治疗的新生物标记奠定基础.     

破解非晶结构之谜：连接非晶态和晶态的中程序结构单元

非晶态结构本质一直是凝聚态物理和材料科学中最有趣和最基本的问题之一。非晶合金因其简单的金属键结合及密堆积结构而成为研究非晶物理的理想材料模型。研究发现,非晶中存在着不同尺度的局域有序结构,其中5~20 埃米尺度范围对应中程序。近来研究揭示其在非晶合金的相变和形变过程中发挥了越来越关键的作用。现有的理论或者实验结果难以确定非晶态材料与其对应的晶态材料间是否存在中程或更大尺度范围的结构联系,同时现有的表征手段难以精确解析其短程到中程尺度有序结构,导致中程序结构解析问题十分复杂。最近在经典大块非晶合金体系钯-镍-磷中通过对一种独特的亚稳立方中间相进行解析,发现了一种桥接非晶态与晶态的手性中程序结构基元六元三帽三棱柱(6M-TTP)。该结构的短程序团簇以一种奇特的手性结构构成约12.5埃米的中程序结构基元,其在铸态为长程无序堆积,而在一定温度可以转变成有序堆积的亚稳立方相。中程序结构的捕获和解析为揭示非晶态结构本质提供了新的结构模型,并且对非晶合金亚稳态中间相的析出动力学规律提出了新的解释。这些发现将有助于阐明非晶合金在中程序以及更大尺度上的结构排列,为解析非晶态的结构本质提供新的思路。     

破解非晶结构之谜：连接非晶态和晶态的中程序结构单元

非晶态结构本质一直是凝聚态物理和材料科学中最有趣和最基本的问题之一。非晶合金因其简单的金属键结合及密堆积结构而成为研究非晶物理的理想材料模型。研究发现,非晶中存在着不同尺度的局域有序结构,其中5~20 埃米尺度范围对应中程序。近来研究揭示其在非晶合金的相变和形变过程中发挥了越来越关键的作用。现有的理论或者实验结果难以确定非晶态材料与其对应的晶态材料间是否存在中程或更大尺度范围的结构联系,同时现有的表征手段难以精确解析其短程到中 程尺度有序结构,导致中程序结构解析问题十分复杂。最近在经典大块非晶合金体系钯-镍-磷中通过对一种独特的亚稳立方 中间相进行解析,发现了一种桥接非晶态与晶态的手性中程序结构基元六元三帽三棱柱(6M-TTP)。该结构的短程序团簇以 一种奇特的手性结构构成约12.5埃米的中程序结构基元,其在铸态为长程无序堆积,而在一定温度可以转变成有序堆积的亚稳立方相。中程序结构的捕获和解析为揭示非晶态结构本质提供了新的结构模型,并且对非晶合金亚稳态中间相的析出动力学规律提出了新的解释。这些发现将有助于阐明非晶合金在中程序以及更大尺度上的结构排列,为解析非晶态的结构本质提供新的思路。     

金属材料疲劳性能的数值模拟

金属广泛地用于生产生活中,所以金属的疲劳也渐渐被人们关注。采用有限元软件(Fatigue)对金属材料在不同轴向载荷条件下进行疲劳性能模拟并进行了分析,分析表明,交变应力的应力幅值一定时,疲劳寿命随着平均应力的增大而减小,且拉应力更容易产生疲劳破坏;在交变载荷平均应力一定的情况下,随着应力幅值的增加,疲劳寿命逐渐减小。     

赋存深度对岩石力学参数影响的实验研究

研究赋存深度对岩石物理力学参数的影响,对于认识深部岩体变形破坏规律,以及分析深部工程灾害事故机理具有十分重要的意义.通过在北京门头沟矿区大台井同一岩层进行现场取样,获得了赋存深度处于410~1010m的7个深度水平上的同一层玄武岩,将其加工成77个标准试件(其中单压21个、三轴35个、劈裂21个),借助MTS815和RMTS150岩石力学实验系统,分别进行了单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂实验,获得了玄武岩密度、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等基本岩石物理力学参数随赋存深度的变化规律.研究发现,统计意义上玄武岩密度、弹模、单拉强度、单压强度、黏聚力、内摩擦角随赋存深度的增大而线性增加,仅泊松比随深度增加而线性减小.另外,还简要分析了造成不同深度同一岩层物理力学参数差异的原因.     

种子层对FeCoNd薄膜的磁性影响研究

采用磁控共溅射方法制备了不同种子层的(Fe10Co90)80Nd20磁性薄膜,研究了种子层对结构和磁性的影响.结果表明,对于相同厚度的薄膜样品,Ta为种子层的样品没有面内各向异性,矫顽力(Hc)达91Oe(1Oe=79.58A/m),表面磁畴为条纹畴结构,具有弱的垂直各向异性;Cu为种子的样品,Hc为30Oe,样品具有面内磁各向异性,各向异性场为60Oe,磁谱测量显示自然共振频率为2.7GHz.对样品进行真空磁场热处理后静态磁测量结果表明,Ta为种子层的样品的磁性及磁畴结构都没有明显变化;Cu为种子层的样品的Hc随退火温度的升高先减小后增大,表面磁畴由制备态的局域条纹畴变为连续的条纹畴结构.     

电场作用下电流变液滴的变形及力学行为

外加电场作用下的液滴变形及力学行为是电流体动力学研究的重要内容.基于volume-of-fluid(VOF)方法,将电场力作为源项添加到流体运动的Navier-Stokes方程中,提出了电流体流场与电场双向耦合的数值方法,分别研究了外加均匀电场与非均匀电场作用下,中性漏电液滴和带电液滴的变形/运动及其力学行为.小变形条件下,数值模拟得到的外加均匀电场中性漏电液滴的变形系数接近于理论值,验证了本文方法的正确性.研究结果表明,电场作用下液滴与周围介质物理属性的差异导致液滴表面不同的自由电荷再分配形式及其变形状态;相对于电场方向,中性漏电液滴可能会发生"扁长型"或"扁平型"变形.均匀电场下,中性漏电液滴内部形成稳定的回转运动,液滴不会发生宏观运动;对于存在净电荷的液滴,由于库仑力的作用,液滴不仅会发生变形,同时也会沿电场线方向运动.非均匀电场下,中性漏电液滴与带电液滴都会沿电场线运动,并发生不同的变形.本文所提出电流体流场与电场双向耦合的数值方法为静电喷雾、电泳等复杂的工程电流体动力学研究提供了理论基础.