实验验证非晶合金超稳固性

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来源：【中国科学院】
非晶合金可否长时间保持稳固？非晶质料稳固性的物理机制和根源是什么？这些都是非晶合金质料和物理领域的紧张困难。
众所周知，非晶态物质的无序原子排列结构特性，导致其相比晶体质料具有更高的自由能，在能量上处于亚稳态。不同种类的非晶态物质呈现出不同的稳固性，如火山玻璃和琥珀可在恶劣的物理、化学环境中稳固存在数亿年；而非晶合金则表现出相对较差的热稳固性，如第一个被发现的Au-Si非晶合金在室温下3小时后就开始发生晶化，24小时后样品完全晶化。较差的热稳固性使非晶合金在弛豫或老化过程中物理和力学性能发生恶化，从而限定非晶合金的长时间服役和大规模应用。因此，非晶合金的稳固性和温度密切相关，温度越高稳固性越低。研究非晶合金的长时间稳固性，最有效的手段就是观察其玻璃转变温度（Tg）附近的长期稳固性。然而，通常的非晶合金均具有较高的Tg，使得在实验室中长年累月的超长时间高温退火实验变得颇为困难，乃至不大概。若寻找到一种非晶合金质料，其Tg在室温附近，就可以使用天然时效（即室温退火，room temperature aging）来探究其长时间的稳固性。
中国科学院物理研究所/北京凝结态物理国家研究中心汪卫华团队张博便是2005年开辟出Ce-基大块非晶合金（图1），其拥有较低的玻璃化转变温度(Tg ~ 67℃)，在开水中就可以举行塑性加工，因而Ce-基非晶合金被称为“金属塑料”【Phys. Rev. Lett. 94, 205502 (2005)】。低Tg点的特性使Ce-基金属塑料成为探究非晶合金超长时间稳固性的理想质料体系。如图2所示，较低的Tg点使得室温老化效应对Ce-基非晶合金特殊显著，室温下对Ce-基非晶合金的老化相当于其在0.85Tg下高温退火，这高于其他非晶合金体系在室温下的老化效应，如Zr-基非晶合金在室温下老化便是其在0.45Tg下退火。理论上，Ce-基非晶合金室温下显著的老化效应可以答应其在符合的退火温度窗口内举行无穷长时间的老化实验，这是其他高Tg点非晶合金体系不大概得到的。
中科院物理所和松山湖质料实验室研究了Ce-基金属塑料在0.85Tg下长达17.7年的超长室温老化样品的稳固性问题，云云接近Tg点的高温长时间老化实验样品在对非晶合金以往的研究中尚未有过。实验发现，超长时间高温老化后的Ce-基非晶合金样品依旧保持完善的非晶态（图3A-B），表现出极强的抗晶化本领，突破了传统对非晶合金稳固性差的认识。如图3C-D所示，老化后Ce-基非晶合金的Tg点升高了27K，虚化温度Tf降落了46K，这说明其动力性稳固性和热力学稳固性同时得到显著提升，长时间老化使其成为一种超稳态大块非晶合金。进一步，通过
参数来表征玻璃的能量状态与理想玻璃之间的间隔，从而可以大概评判玻璃热力学稳固性的优劣。如图4A所示，17.7年室温老化后的超稳Ce-基非晶合金的热力学稳固性优于多数通过气相沉积制备的超稳玻璃薄膜，乃至可与上亿年老化后的琥珀相媲美。
Ce-基非晶合金的超稳性怎样实现？分析发现，Ce-基超稳非晶合金的得到与它的强脆性特性密切相关，Ce-基非晶合金的动力性脆性值在20-30之间，是范例的强液体玻璃体系。通常，强液体的能量势垒图存在一个大的能谷而弱液体的能量势垒是由多个不同的大能谷组成，这意味着强液体的微观动力学是相对均匀的。如图4B-C所示，强液体特性使得Ce-基非晶合金在老化过程中可以大概连续快速地通过临近小能谷间的跃迁最终到达较低的能量状态。图4A中脆性有机玻璃IMC（m~ 82.8）和PS（m~ 116）的弛豫速率显著小于强Ce-基非晶合金（m~ 28），验证了强玻璃体系可以大概有效快速弛豫的推断。
强脆性特性可以大概保障Ce-基非晶合金的快速弛豫接近理想玻璃态，而超稳性的得到需要高的抗晶化本领即可以大概阻碍弛豫过程中形核、结晶举动的发生。根据经典形核理论，研究比力了Ce-基非晶合金与其他合金体系的形核率巨细，发现强的液体特性和较大的Trg值促使Ce-基非晶合金拥有极低的形核率（图5），表现出可以与琥珀媲美的强抗形核本领。别的，通过超稳态Ce-基非晶合金有助于论述一些经典的玻璃态物理科学问题，比方，通过非对称退火实验发现超稳态Ce-基非晶合金可以到达平衡液态而不结晶，这支持了玻璃只有在弛豫完全竣事后才会成核结晶的观点。
相关研究结果以Ultrastable metallic glass by room temperature aging为题，发表在Science Advances上。研究工作得到广东省基础与应用基础研究重大专项、国家重点研发筹划、国家天然科学基金、中国空间技能研究院钱学森实验室空间探索项目、广东省基础与应用基础研究项目的支持。
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