非晶材料与物理近期研究进展

由于结合了金属和玻璃的特性,非晶合金表现出许多新奇和优异的力学和物理性质,在很多领域具有广泛的应用前景.非晶合金具有连续可调的成分、简单无序的原子结构、丰富多变的材料性质,为研究非晶态物理中的许多共性科学问题提供了理想的模型材料.块体非晶合金的发展更是将玻璃和液体及其相关科学问题的研究推进到凝聚态物理和材料科学的研究前沿.中国科学院物理研究所极端条件物理重点实验室亚稳材料合成、结构及性能研究组(EX4组)近二十年来一直致力于非晶材料和物理的研究,在新型非晶合金的制备、物性以及相关机理的研究上取得了许多重要成果.本文介绍团队最近在非晶材料和物理机理方面取得的研究成果,包括非晶合金的动力学行为和调控、非晶合金的表面动力学、功能应用以及材料探索新方法等.     

非晶态物质的本质和特性

非晶态物质是复杂的多体相互作用体系,其基本特征是原子和电子结构复杂,微观结构长程无序,体系在能量上处在亚稳态,具有复杂的多重弛豫行为,其物理、化学和力学性质、特征及结构随时间演化。不稳定,随机性,不可逆是非晶物质的基本要素,自组织,复杂性,时间在非晶物质中起重要作用。复杂的非晶态物质有很多基本而独特的性质。非晶态物质的复杂性没有能阻挡住人们对它的兴趣和研究。现在人们把越来越多的目光从相对简单的有序物质体系关注到复杂相互作用的无序非晶体系。近几十年来,非晶的研究在无序中发现有序,在纷繁和复杂中寻求简单和美,引领了新的研究方向,导致很多新概念、新思想、新方法、新工艺、新模型和理论,以及新物质观的产生。非晶态合金(又称金属玻璃)是50多年前偶然发现的一类新型非晶材料。非晶合金的发现极大地丰富了金属物理的研究内容,带动了非晶态物理和材料的蓬勃发展,把非晶物理研究推向凝聚态物理的前沿。今天,非晶物理已成为凝聚态物理的一个重要和有挑战性的分支。非晶态材料不仅成为性能独特、在日常生活和高新技术领域都广泛使用的新材料,同时也成为研究材料科学和凝聚态物理中一些重要科学问题的模型体系。本文试图用科普的语言,以非晶合金为典型非晶物质综述非晶物理和材料的发展历史和精彩故事、介绍非晶科学中的主要概念、研究方法、重要科学问题和难题、非晶材料的形成机理、结构特征、非晶的本质、非晶中的重要转变–玻璃转变、非晶中的重要理论模型、物理和力学性能及非晶材料的各种应用等方面的研究概况和最新的重要进展。还介绍了非晶领域今后的研究动态及趋势,以及这门学科面临的重要问题、发展前景和方向。     

非晶态物理与软磁材料的产业化

由于非晶态材料具有独特的结构和优异的性能,其发现和发展对相关传统材料及其应用领域产生了巨大的冲击和深远的影响.从1960年首次发现非晶合金至今已有40余年,基础研究和应用开发均取得长足进展,特别是作为软磁材料的非晶合金带材已经实现了产业化,并获得了广泛应用.文章综述了非晶态物理方面的一些基本问题,以及非晶软磁合金的发展历程和产业化现状.     

不同力学激励形式探索La基非晶合金微观结构非均匀性

非晶合金力学行为与其微观结构非均匀性之间本征关联,是固体力学研究领域至今未能很好解决的重要科学问题之一.单一力学激励形式并不能有效地描述非晶合金微观结构非均匀性,特别是结构与动力学的关联.如何探索非晶合金结构信息,须将诸多因素综合,在不同力学激励下研究非晶合金微观结构非均匀性与变形机理.本研究以La₆₂Cu₁₂Ni₁₂Al₁₄非晶合金为模型体系,利用动态力学分析仪研究非晶合金动态弛豫行为.基于准点缺陷模型,对模型合金体系α弛豫和β弛豫进行了分离.借助于拉伸应变率跳实验,探索非晶合金高温流变行为.确定非晶合金塑性流变过程中弹性、滞弹性以及塑性变形的贡献.本研究从非晶合金动态力学弛豫行为和宏观塑性流变行为出发,尝试揭示微观非均匀性对非晶合金在不同激励形式中缺陷的激活、扩展和融合的物理本质.     

非晶塑性变形机理研究新进展

非晶合金的塑性变形机理一直是材料科学和凝聚态物理研究的热点问题之一.文章简单介绍了近来中国科学院物理研究所在非晶合金塑性机理研究方面的最新进展,介绍了玻璃转变和塑性变形机制之间的关联性及最新的实验证据,以及从非平衡态统计力学角度对非晶塑性变形机制的理解,指出非晶合金的塑性和剪切带的动力学状态密切相关,发现韧性非晶合金在变形过程中可以演化到自组织临界状态.这对认识非晶合金的形成本质,探索具有实际应用价值的非晶合金具有重要意义.     

非晶态物理与软磁材料的产业化

由于非晶态材料具有独特的结构和优异的性能，其发现和发展对相关传统材料及其应用领域产生了巨大的冲击和深远的影响。从1960年首次发现非晶合金至今已有40余年，基础研究和应用开发均取得长足进展，特别是作为软磁材料的非晶合金带材已经实现了产业化，并获得了广泛应用。文章综述了非晶态物理方面的一些基本问题，以及非晶办磁合金的发展历史和产业化现状。     

非晶力学流变的自组织临界行为

非晶材料是由液体快冷冻结而成的结构无序的亚稳态固体.在受力条件下,非晶材料表现出独特和复杂的流变行为,具有跨尺度的高度时空不均匀特征,并在一定条件下表现出自组织临界行为,和自然界以及物理系统中许多复杂体系的动力学行为相似.本文结合作者近年来在非晶合金流变行为方面的研究结果,对非晶材料流变的研究进展和物理机制的认识进行介绍,包括非晶材料流变的跨尺度特征、表征和微观结构机制,以及近年来发现的非晶力学流变的自组织临界行为、物理机制等.最后,对非晶材料流变行为研究中亟需解决的问题进行了总结和展望.     

非晶合金的高通量制备与表征

非晶合金是一种不同于传统合金材料的新型合金,其突出的机械、物理、化学等性能在工程应用领域备受关注.作为一种具有无序原子结构的新型合金,非晶合金中蕴含的丰富的物理现象在基础研究领域也备受瞩目.非晶合金往往由多个组元构成,这给成分优化和性能调制带来了巨大的挑战.材料基因组方法是最近发展起来的新方法,通过高通量制备和结构表征以及性能筛选有望加快新型非晶合金材料的探索,在高通量表征中获得的大量实验数据可以帮助人们理解非晶合金中的科学问题.本文主要介绍高通量制备和表征在非晶合金中的应用,通过列举典型案例,展示通过高通量方法探索新型非晶合金材料的作用.     

Pd基非晶合金动态弛豫机制和应力松弛行为

作为潜在的功能及结构材料,高熵非晶合金在凝聚态物理和力学领域引起广泛的研究兴趣.高熵非晶合金宏观力学性能与微观结构非均匀性之间的关联是当前重要的科学问题之一.本文选取非晶形成能力良好的Pd_42.5Cu₃₀Ni_7.5P₂₀非晶合金和Pd₂₀Pt₂₀Cu₂₀Ni₂₀P₂₀高熵非晶合金作为模型体系,借助于动态弛豫行为及应力松弛实验建立了温度和物理时效对非晶合金高温变形机制与微观结构非均匀性之间的关联.研究结果表明Pd基非晶合金表现出“肩膀峰”β弛豫形式.玻璃转变温度以下物理时效非晶合金体系原子移动性导致β弛豫肩膀峰往更高的温度迁移.在应力松弛过程中,由于高构型熵的引入降低吉布斯自由能,这是高熵非晶合金具有较高激活能的原因.高熵非晶合金更难被激活,需要突破更高的能量势垒.物理时效时间增加,高熵非晶合金流变单元更小,这也得益于多主元高熵非晶合金慢扩散效应.高熵非晶合金激活体积的改变在物理时效下应力松弛...     

几种铁基非晶合金激波诱导晶化中的若干奇异物理效应研究

应用x射线衍射、透射电子显微镜和差示扫描量热实验技术，研究了FeCuNbBSi，FeBSi，FeMoBSi几种铁基非晶合金的激波诱导晶化.研究结果表明：非晶态合金激波诱导晶化中存在若干应用传统长程扩散相变理论难以解释的奇异物理效应.用非晶态合金激波流化晶化可以很好地解释激波诱导非晶晶化中的各种奇异物理效应. 关键词： 激波晶化 非晶态合金 激波流化 流体扩散     

金属玻璃流变的扩展弹性模型

玻璃-液体转变现象,简称玻璃转变,被诺贝尔物理学奖获得者安德森教授评为最深奥与重要的凝聚态物理问题之一.金属玻璃作为典型的非晶态物质,具有与液体相似的无序原子结构,因此又称为冻结了的液态金属,是研究玻璃转变问题的理想模型材料.当加热至玻璃转变温度,或者加载到力学屈服点附近时,金属玻璃将会发生流动.由于热或应力导致的流动现象对金属玻璃的应用具有重要意义.本文简要回顾了金属玻璃流变现象,综述了流变扩展弹性模型的研究进展和未来发展趋势.     

不透明玻璃显现出的曙光——块体金属玻璃的发现与应用

在足够高的冷却速度下，如同其他大多数物质一样，金属合金溶体在冷冷却到室温的过程中能够经过玻璃化转变过程变成非晶态固体——金属玻璃。金属玻璃因其具有许多优异和独特的物理、化学和力学性能而一直受到很大的关注。在过去，由于玻璃形成能力的限制，金属合金只能制成厚度为数十数米的薄带状金属玻璃，因而其应用范围受到极大的限制。通过对金属合金的组成、溶体的过冷与稳定性及玻璃形成能力的关系研究，人们用常规的方法在较低的冷却速度下就能在许多金属合金体系中形成三给尺度都达毫米至数厘米的块体金属玻璃，这为金属玻璃获得广泛的应用奠定了基础。     

Secondary relaxation and dynamic heterogeneity in metallic glasses:A brief review

Understanding mechanical relaxation, such as primary(α) and secondary(β) relaxation, is key to unravel the intertwined relation between the atomic dynamics and non-equilibrium thermodynamics in metallic glasses. At a fundamental level, relaxation, plastic deformation, glass transition, and crystallization of metallic glasses are intimately linked to each other, which can be related to atomic packing, inter-atomic diffusion, and cooperative atom movement. Conceptually, βrelaxation is usually associated with structural heterogeneities intrinsic to metallic glasses. However, the details of such structural heterogeneities, being masked by the meta-stable disordered long-range structure, are yet to be understood. In this paper, we briefly review the recent experimental and simulation results that were attempted to elucidate structural heterogeneities in metallic glasses within the framework of β relaxation. In particular, we will discuss the correlation amongβ relaxation, structural heterogeneity, and mechanical properties of metallic glasses.     

Study of Low Temperature Magnetic Properties of a Single Chain Magnet with Alternate Isotropic and Non-collinear Anisotropic Units

Here we study thermodynamic properties of an important class of single-chain magnets (SCMs), where alternate units are isotropic and anisotropic with anisotropy axes being non-collinear. This class of SCMs shows slow relaxation at low temperatures which results from the interplay of two different relaxation mechanisms, namely dynamical and thermal. Here anisotropy is assumed to be large and negative, as a result, anisotropic units behave like canted spins at low temperatures; but even then simple Ising-type model does not capture the essential physics of the system due to quantum mechanical nature of the isotropic units. We here show how statistical behavior of this class of SCMs can be studied using a transfer matrix (TM) method. We also, for the first time, discuss in detail how weak inter-chain interactions can be treated by a TM method. The finite size effect is also discussed which becomes important for low temperature dynamics. At the end of this paper, we apply this technique to study a real helical chain magnet.     

Structural relaxation of Zr_(41)Ti_(14)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5) bulk metallic glass under high pressure

Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5bulk metallic glass (BMG) is annealed at 573 K under 3 GPaand its structural relaxation is investigated by X-ray diffraction, ultrasonic study, compression as well as sliding wear measurements. It is found that after the ZrTiCuNiBe BMG sample was annealed under high pressure, the mechanical properties were improved. Moreover, the BMG with relaxed structure exhibits markedly different acoustic properties. These results are attributed to the fact that relaxation under high-pressure results in a microstructural transformation in the BMG.     

Identification and characterization of potential shear transformation zones in metallic glasses

The stability of local atomic configurations in a Ni-Zr metallic glass is studied by molecular dynamics. It is shown that individual atom displacements induce irreversible atomic rearrangements under different glass relaxation, temperature, and strain conditions. The number of regions with an unstable topology depends on the glass relaxation degree. Their time evolution is governed by thermal activation, the activation energy decreasing with elastic strain. It is also shown that unstable regions are located in correspondence of shear transformation zones operating under plastic deformation.     

Sherrington-Kirkpatric自旋玻璃模型的非平衡态性质

通过动力学蒙特卡罗模拟对Sherrington-Kirkpatric （SK）自旋玻璃模型进行研究. 结果表明,弱场下自旋玻璃的磁化率在转变点非常陡峭,而比热容则呈现比较宽的转变. 同时,也成功地模拟了自旋玻璃体的年龄效应和记忆效应. 通过模拟发现,不同的弛豫时间对系统的能量影响很大,这直接导致了年龄效应和记忆效应;各向同性的SK模型不能给出实验中的交换偏移现象. 关键词： 自旋玻璃 记忆效应 年龄效应 磁化率     

Evidence of glass transition in thin films of maleic anhydride derivatives: Effect of the surfactant coadsorption

The glass transition temperature of poly (maleic anhydride-alt-1-octadecen) and poly (styreneco-maleic anhydride) cumene-terminated thin films has been measured by mechanical relaxation of Langmuir films of these polymers. The dynamical properties show glass-like features (non-Arrhenius relaxation times and non-Debye mechanical response) interpreted by the coupling model. The glass transition temperature values determined by a mechanical relaxation experiment (step-compression) agree very well with those obtained by surface potential measurements. It is found that the glass transition temperature values in thin films decrease by about 100K as compared with those corresponding to the bulk polymers. The coadsorption of the water-insoluble surfactant DODAB decreases the glass transition temperature.