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超稳态金属玻璃的抗老化特性

2018-04-11 16:03
来源: 材料牛

【引言】

由于优异的热力学和动力学稳定性,超稳态玻璃已成为非晶态物质中极具潜力的新材料。其制备过程是使得超稳定性存在的直接原因:相比于传统玻璃,超稳态玻璃在势能图景中处于更低状态,这是制备过程(气相沉积)过程中,原子运动能力增强的结果。在有机体系中获得首个超稳态玻璃后,于海滨等用气相沉积方法,制备首个超稳态金属玻璃(UMG)。传统的金属玻璃凭借其弹性、硬度和耐蚀性等方面的优异性能,被视为在工程技术领域应用的理想对象。美中不足是金属玻璃这类材料在使用过程中,会发生弛豫从而性能自发演化,这一现象叫做物理老化。超稳态有机玻璃的宏观研究显示,该体系中不存在物理老化现象,然而,从微观角度直接的相关信息还未得到报道。

【成果简介】

近日,德国哥廷根大学的Konrad Samwer课题组和法国里昂大学/欧洲同步辐射中心(ESRF)的Beatrice Ruta研究员合作,在Physical Review Letters上发表最新研究成果“Anti-Aging in Ultrastable Metallic Glasses”。文章第一作者为哥廷根大学的Martin Lüttich博士。文章通过X射线光子相关光谱,从原子尺度研究了超稳态金属玻璃的稳定性。作者发现原子尺度的超稳定性是致使超稳态金属玻璃比传统极冷方法制备的非晶合金具有更慢弛豫动力学的原因。在接近玻璃转变点处,出现一个动力学奇异的增速。这一奇特现象叫做反老化,可在势能图景框架下进行理解。对所有样品,结构弛豫过程可以被描述为密度涨落的极度压缩态,不会受到热处理的影响。

【图文导读】

图1:超稳态非晶合金样品UMGAP的动力学变化及密度涨落。

(a) 所使用温度循环周期的方案示意。相对温度和传统Cu50Zr50金属玻璃的玻璃转变点有关;

(b) 超稳态金属玻璃的两点关联函数在温度模式下的第一个周期,动力学变化通过沿主对角线的红色区域的不同宽度来表示,所有两点关联函数均已归一化;

(c) 通过(b)图得到的每个两点关联函数的时间平均,用g2(q,t)表示。

图2:样品弛豫动力学表征。

(a) UMGAP、UMGann@0.97Tg和UMGann@1.03Tg的强度自关联函数揭示在退火过程中抗老化;

(b) 预退火UMG、UMGAP和传统方法制备的MG的弛豫时间在所选温度模式下,随高温迭代Th,i的演化。

图3:在Th,0温度测得,预退火温度Ta对传统Cu50Zr50MG和UMG的弛豫时间的影响。

两个内插图表示在势能图景(EPL)框架下对数据的描述。

图4:不同Tsub温度制备的三个Cu50Zr50薄膜,在Th,0下测得的结构弛豫时间。

【小结】

文章呈现了对超稳态金属玻璃在原子尺度下弛豫过程的详细研究。不同于传统的金属玻璃,超稳态金属玻璃是最稳定的非晶态物质,在玻璃转变点附近预退火出现显著的抗老化效应。这一效应在传统金属玻璃中并不存在,从而为超稳态玻璃的奇异特性又增加了一笔。

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