经典综述鉴赏：全面解读块体金属玻璃

【引言】

非晶态合金又称为金属玻璃，具有长程无序、短程有序的亚稳态结构特征。固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内这种状态保持相对稳定。与传统的晶体合金相比，非晶合金中不存在类似于晶界等界面缺陷，同时它具有比较稳定的过冷液相区。这些独特的结构特征使非晶合金具有晶体材料所不具备的优异性能，例如表现出高强度、高韧性、高耐蚀性和高磁导率等优异的力学、物理与化学性能，以及高精密成形加工性等特点。经过几十年的发展，非晶合金已经成为材料领域的热点之一。非晶材料的迅猛发展也为研究材料科学和凝聚态物理中一些重要问题的模型体系提供了新思路。

日本东北大学Mingwei Chen教授在NPG Asia Mater.期刊上发表了题为“A brief overview of bulk metallic glasses”的综述。块体金属玻璃（BMGs）的研发，促进了合金材料的实际应用和科学认识，同时也激发了科研工作者的广泛的研究热情。非晶态合金具有无序的原子结构和独特的玻璃-过冷液体转变的性质，它代表了一类新的结构，同时也是一种具有极高性能的功能型材料。本文首先介绍了BMGS的特性，研究发现：BMGS是目前最强的金属材料和最软的金属材料之一（最强的Co 基非晶态合金的强度高达6.0 GPa, 最软的Sr 基非晶合金的强度低至300 MPa）；非晶合金是最容易加工成型的金属材料,也是最耐蚀的金属材料；它还具有遗传、记忆等特点。在本文中，作者详细地对团簇密堆模型进行解释：非晶合金中存在许多以fcc或者hcp的方式排列的稳定团簇。这些团簇的中心原子是由非晶中含量较少的组元组成，而非晶合金中的基底原子填充在团簇间隙，用溶质与溶剂分别表示少数的组元和多数的基底原子。当填充原子与团簇杂乱无章地“粘连”在一起，就形成长程无序的非晶合金。团簇密堆模型较好地反映了非晶合金结构的特征，可用于解释研究过程中遇到的一些非常态现象。在参阅并回顾非晶态合金研究的历史里程碑的基础上，作者还详述了金属玻璃研究中所遇到的几个问题，全面解读了BMGs的强度、延展性和玻璃形成能力与原子结构的相关性。最后，就BMG在微电子机械系统、生物医学中的应用进展展开讨论。

【图文导读】

图一. 非晶态合金的常见形态、微观结构与热学性能

（a）通过铸型铸造制备的块体金属玻璃。样品的直径为30 mm

（b）BMG典型的高分辨电子显微图和电子衍射图

（c）块体金属玻璃的差示扫描量热曲线，显示了玻璃化转变和较宽过冷区域的特征

图二. 非晶态合金密排模型中单个簇的单位单胞示意图

（a）密排模型（100）平面的示意图，表明了簇之间的相互粘结以及每个溶质原子周围的有效原子堆积数

（b）Zr-(Al, Ti)-(Cu, Ni)-Be合金中<12-10-9>模型系统的团簇单位晶胞的一部分

图三. 电子束衍射实验原理图

（右上方插图）使用最大光束的半高宽所计算的电子纳米探针的三维轮廓

（右下方插图）与电子衍射花样相关的纳米束尺寸的示意图

图四. 非晶态合金的剪切屈服强度及粘度与玻璃转变温度的关系图

（a）非晶态合金的剪切屈服强度（Th_y）与玻璃化转变温度的关系。实线对应方程的关系图，Th_y= 3R（T_g-RT）/V，其中R是气体常数，符号A到O代表不同的合金

（b）粘度与T/T₀及σ/σ₀的函数曲线图，其中T₀是临界温度，σ₀是临界应力。白色曲线对应Log₁₀η₀＝5的关系图

图五. 铜原子的原子迁移率与800 K时Cu₄₅Zr₄₅Ag₁₀的局部结构环境之间的关系图

（a, b）铜原子按位移的递增顺序分为20组。在每组中，<0,0,12,0>多面体的百分比和配位的银原子数绘制为（a）1.5t_α'的短时间间隔（b）1.5t_α'的长时间间隔

（c）基于（b）中所得的位移性能绘制所有原子的三维均方位移图。等值面表示慢动态和快动态区域，其中Δr²小于25Ų（蓝色区域）和大于80Ų（绿色到红色区域）

（d）三维图显示慢动力学区域的等值面和银原子（粉红球）的分布。观察到蓝色慢动态区域为银贫瘠区。立方体尺寸为53×53×53ų

图六. 不同非晶态合金的SEM图像及应力曲线图

（a）DH₁和（b）DH₃微观结构的背散射扫描电子显微图像

（c）室温拉伸试验中Vitryly 1、DH₁、DH₂和DH₃的应力-应变曲线

（d）DH₃颈缩现象示意图

（e）DH₂和DH₃试样拉伸前后对比图

（f）DH₃拉伸后表面形貌图

（g，h）拉伸时DH₂和DH₃中颈缩现象示意图

（i）BMGs整体脆性断裂图

图七. 镁基非晶态合金与结晶镁合金的动物实验对比研究

（a，c）非晶态镁Mg₆₀Zn₃₅Ca₅

（b，d）晶态镁合金参照物（WZ21）

在两种类型的猪腹部组织中（27天后的肌肉（a，b）和91天后的皮下组织（c， d）植入），所有样品显示典型的纤维状胶囊异物反应（用白色箭头表示），但只有结晶样品（由虚线表示的植入盘）显著释放氢气（圆盘和纤维状胶囊之间黑色箭头指示的区域）

图八. BMGs的原子力显微镜图像

（a）具有凹形锥体的（100）硅晶片的原子力显微图

（b）用模具（a）锻造的BMG的凸纳米锥体的原子力显微图

（c）使用锆基BMG结合聚焦离子束的方法制备的齿轮模具

（d）铂基BMG制备的模锻微齿轮

【总结】

非晶材料的发展与制备新方法、实验技术的进步、新型的非晶体系的研发紧密相关。从急冷法制备出非晶条带，到助熔剂法制备出大块非晶合金，再到改变化学成分来提高非晶形成能力、铜模浇注制备出多种块体非晶合金，每一次非晶合金材料的突破都通过制备方法和新体系的开发引起的。非晶合金领域是科学、技术和应用的有机结合，不同领域的交叉合作将大大促进非晶合金领域的快速发展。近些年来，围绕非晶的基础研究、新型非晶材料研发都相继产生了众多丰硕的成果。

非晶态合金与结晶合金相比，前者是在非常快的临界冷却速率下形成。它具有广泛的研究价值，例如通过优化BMGs的化学组成可以研究不同环境下的生物腐蚀特性，控制过度降解和析氢速率。作为一种新型结构与功能材料，非晶合金已经在信息与电子器件、精密机械、航空航天器件和体育运动器械等领域开始得到应用，它的优异性能还使其在人体生物材料和化工等领域显示出重要的应用价值。

【文献链接】

A brief overview of bulk metallic glasses（NPG Asia Mater. 2011，DOI: 10.1038/asiamat.2011.30）

本文由材料人编辑部金属组Nancy、飞絮编译成稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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