Science子刊发表关于非晶合金研究的最新进展

引言

作为影响人类文明进展的重要材料之一，玻璃在人们的日常生活和科学研究中扮演着不可或缺的角色。金属玻璃（又称非晶合金）作为其中的一员，自1960年被发现以来，因其高比强度、大弹性极限、优异的耐磨、耐腐蚀、耐辐射性能、软磁等优异性能，在节能环保、能源科技及生物医学、消费电子等领域展现了广阔的应用前景。在过去的几十年里，人们一直致力于理解和提高金属玻璃的玻璃形成能力，实现对其宏观性能的综合调控，进而更好地发挥金属玻璃性能的优势，拓展其应用领域。然而，悬而未决的金属玻璃形成能力之谜仍然是当前制约大块金属玻璃应用的关键瓶颈之一。如何突破金属玻璃形成能力的束缚制备大块金属玻璃是国际上长期以来关注的焦点科学问题。

成果简介

近日，深圳大学机电与控制工程学院与北京计算科学研究中心、中科院力学所、中科院物理所、香港城市大学等单位合作，基于金属玻璃表面原子的本征快动力学及其在周期性外场下显著增强的特征，提出了室温低应力超声焊接方法，突破了金属玻璃形成能力的约束，有效地制备出大块单相金属玻璃以及过去从未报道过的多相金属玻璃复合材料。首先，运用计算模拟与理论分析，研究人员研究了金属玻璃表面原子重排激活能与体相原子的显著差异，澄清了其表面原子快动力学（扩散）的物理机制；为了进一步确定金属玻璃的表面激活特性，研究人员利用动态扫描探针显微技术表征Zr基金属玻璃膜的粘弹性损耗性质，发现在远低于玻璃转变点的温度下，金属玻璃薄膜在超声应力作用下具有很高的内耗，基本接近于在玻璃转变点的大块样品中观察到的内耗。这说明如果给定一个合适的高驱动频率，金属玻璃表面的快速键合过程可以被有效地激活。原子尺度的计算模拟也有力地证实了周期性外力场下表面原子扩散的进一步增强可实现金属玻璃表面的有效粘接。进而，研究人员提出了运用低温低应力超声焊接方法，以带材为原料制备块体金属玻璃的设想。

为了对以上设想进行验证，研究人员进行了金属玻璃带材的超声振动粘合实验。超声冲头以20000 Hz的频率，30~50 MPa的应力下对带材碎屑进行循环加载，发现带材在高频应力的作用下粘合成块体状态，且制备块体的密度、硬度等性能与传统铸态相比，无明显差异性。基于该方法，研究人员还创新性地制备了此前从未被报道过的多相金属玻璃块体复合材料——多种不同体系的金属玻璃带材碎屑以不同的比例混合均匀，在超声冲头的作用下，碎屑凝聚成块体，从而形成两相、三相甚至多相的金属玻璃块体复合材料。

图文导读

图1. 超声振动作用下锆基金属玻璃表面的快速粘合。（A）通过超声振动制造大块非晶合金的示意图。（B）和（C）在持续振动过程中冲头的位移随时间变化。（D）金属玻璃带状原料的照片。（E）由带状原料制成的大块锆基非晶样品的照片。（F）和（G）不同体系金属玻璃铸态和超声制备大块样品的密度及硬度比较。
图2. 多相金属玻璃复合材料的制备。（A）和（B）带状原料利用超声振动合成单相和多相金属玻璃的示意图。（C）和（D）单相和多相金属的X射线衍射图。（E）La（镧）基和Pd（钯）基双相金属玻璃的SEM图像。（F）双相金属玻璃的HRTEM图像。（G）选定区域R1、R2和R3的衍射图案。（H）用EDS分析双相金属玻璃的元素分布。

总结

该项工作基于金属玻璃独特的表面动力学特性，创新性地提出了室温低应力超声焊接方法，实现金属玻璃单相、多相块体材料的有效制备，为金属玻璃的制备与性能调控提供了全新方法与独特视角，有望成为实现该类材料智能设计与按需制备的创新性技术支撑。

相关研究成果近日发表于Science子刊Science Advances, Sci. Adv. 5,eaax7256, 2019），第一作者为马将研究员，通讯作者为龚峰研究员，管鹏飞研究员，汪卫华研究员，杨勇教授。这项工作得到了国家自然科学基金委项目51871157, 51571011，广东省自然科学基金2016A030310043，深圳市自然科学基金JCYJ20170412111216258, JCYJ20160520164903055，香港特别行政区一般研究项目CityU11213118, CityU11209317以及国家自然科学基金委-中物院联合基金U1930402的支持。

文章链接：Fast surface dynamics enabled cold joining of metallic glasses. Sci. Adv. 5, eaax7256 (2019),