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学术报告:超稳态大块非晶合金
来源: 时间:2023-02-23 浏览:

报告人:张博

单位:松山湖材料实验室

时间:2023217日(星期五)下午1500-1700

地点:大学城校区实验三号楼201会议室

 

报告内容简介

      由于非晶态物质的无序原子排列结构特征,导致其相比晶体材料具有更高的吉布斯自由能,在能量上处于亚稳态。不同种类的非晶态物质会呈现出截然不同的稳定性,如火山玻璃和琥珀可以在恶劣的物理、化学环境中稳定存在数亿年;而非晶合金则表现出相对较差的热稳定性,如首次被开发出的Au-Si非晶合金在制备后室温下3小时后就开始发生晶化,24小时后样品完全晶化[1]。差的热稳定性会使非晶合金在弛豫或老化过程中物理和化学性能发生恶化,从而限制非晶合金的长时间服役和大规模应用。那么,非晶合金能否长时间保持稳定?非晶材料稳定性的物理机制和根源是什么?这些都是非晶合金材料和物理领域长期关注的重要难题。

      中科院物理研究所汪卫华团队张博等人曾于2005年开发出了Ce-基“金属塑料”[2]。由于拥有较低的玻璃化转变温度(Tg ~ 67℃),使得Ce-基金属塑料成为研究非晶合金超长时间稳定性的理想材料体系。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,这远远高于其它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等于其在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允许其在合适的退火温度窗口内进行无限长时间的老化实验,这是其它高Tg点非晶合金体系所不可能获得的。

      松山湖材料实验室和中科院物理所联合团队研究了Ce70Al10Cu20非晶合金在0.85Tg下长达17.7年超长室温老化样品的稳定性问题,如此接近Tg点的高温长时间老化实验在对非晶合金以往的研究中还从未有过[3]。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着完美的非晶态(图1a-b),表现出极强的抗晶化能力,打破了传统对非晶合金稳定性差的认识。如图1c-d所示,老化后Ce-基非晶合金的Tg点升高了27K,虚化温度Tf下降了46K,这说明其动力性稳定性和热力学稳定性同时得到显著的提升,长时间老化使其进入超稳态。17.7年室温老化后的超稳Ce-基非晶合金的热力学稳定性优于大多数通过气相沉积制备的超稳玻璃薄膜,甚至能够与上亿年老化后的琥珀相媲美。

      Ce-基非晶合金的超稳性是如何实现的呢?分析发现,Ce-基超稳非晶合金的获得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,是一种典型的强液体玻璃体系。强液体特性使得Ce-基非晶合金在老化过程中能够持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。另一方面,强的液体特征和较大的Trg值促使Ce-基非晶合金拥有极低的形核率,表现出一种可以与琥珀媲美的强抗形核能力。

      图1 室温下老化17.7年的非晶态Ce70Al10Cu20合金样品的(a)实物图片和(b)高分辨透射电镜照片;不同室温老化时间Ce70Al10Cu20非晶合金的比热和热焓曲线。

 

参考文献:

W. Klement, R. H. Willens, and P. Duwez, Nature 187, 869 (1960).

B. Zhang, D. Q. Zhao, M. X. Pan, W. H. Wang, and A. L. Greer, Phys. Rev. Lett. 94, 205502 (2005).

Y. Zhao, B. Shang, B. Zhang, X. Tong, H. B. Ke, H. Y. Bai, and W.-H. Wang, Science advances 8, eabn3623 (2022).

 

报告人简介:

     张博,研究员,松山湖材料实验室空间材料团队负责人,国家优青,全国百篇优秀博士学位论文作者。2007年获中国科学院物理研究所凝聚态物理学博士学位,德国宇航中心空间材料研究所洪堡学者,德国哥廷根大学物理系第一物理所博士后。主要研究领域是非晶合金材料及金属熔体原子扩散。主持和参与国家空间科学任务概念项目、国家 973 项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等科研项目10余项。国际会议邀请报告10余次,在Nature Materials, Science Advances, PRL,APL等杂志发表论文 80余篇,授权中国发明专利 21 项,美国发明专利1项

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