Materiaalwetenschappers en ingenieurs streven naar het ontwerpen en ontwikkelen van metalen bulkglazen (BMG's) met uitstekende eigenschappen. De belangrijkste technische uitdaging is om hun afmetingen op te schalen en de materiaaleigenschappen in het laboratorium te verbeteren. Nu verder schrijven wetenschappelijke vooruitgang , Jiang Ma en een team van interdisciplinaire onderzoekers hebben het probleem aangepakt door samen te werken binnen de afdelingen Micro/Nano Optomechatronic Engineering, Machinebouw, Computational Science Research en de Institutes of Mechanics and Physics. Ze demonstreerden een nieuwe methode om BMG's (bulk metalen glazen) en metalen glas-glascomposieten te synthetiseren met behulp van metallische glaslinten. Met behulp van ultrasone trillingen, ze activeerden de spanningsrelaxatie op atomaire schaal volledig in de ultradunne oppervlaktelaag om atomaire binding tussen linten bij een lage temperatuur te versnellen; ver onder het glasovergangspunt. De nieuwe benadering overwon de beperkingen qua grootte en samenstelling die gepaard gaan met conventionele methoden om een ​​snelle hechting van metallische glazen met verschillende fysische eigenschappen te vergemakkelijken zonder kristallisatie. Het onderzoekswerk opent een nieuw venster om BMG's met een uitgebreide samenstelling te synthetiseren om de ontdekking van multifunctionele glas-glascomposieten mogelijk te maken die tot nu toe niet zijn gerapporteerd.

Glas is een onmisbaar materiaal in de menselijke geschiedenis, een praktische rol spelen in wetenschappelijk onderzoek en het dagelijks leven. Natuurlijke of kunstmatige varianten van glas vinden extreme toepassingen in optica, biotechnologie, geneeskunde en elektronica. Bulk metalen glazen zijn een goed modelmateriaal voor de studie van de structuur en eigenschappen van dichte willekeurige verpakkingsglazen, sinds hun ontdekking veel aandacht trekken. De materialen zijn veelbelovend in toekomstige toepassingen om sportartikelen te ontwikkelen, biomedische apparaten en elektronische apparaten vanwege hun hoge elasticiteitsgrens en uitstekende slijtvastheid/stralingsweerstand.

Echter, de kristallisatiesnelheden van de bekende glasvormende metallische vloeistoffen blijven orden van grootte hoger dan gewone glasvormende materialen zoals polymeren, silicaten of moleculaire vloeistoffen. Als resultaat, het glasvormend vermogen (GFA) blijft een al lang bestaand probleem voor fundamenteel onderzoek, terwijl een knelpunt wordt geïntroduceerd voor mogelijke toepassingen van BMG's. Superieure GFA wordt momenteel slechts in een beperkt aantal systemen aangetroffen om lood (Pd) te vormen, op zirkonium (Zr) en titanium (Ti) gebaseerde BMG's. Onderzoekers hebben in het verleden substantiële inspanningen geleverd om de GFA van BMG's te begrijpen en te verbeteren om bestaande limieten te overwinnen door thermodynamica op te nemen, vonk plasma sinteren, thermoplastische verbindingsmethoden en meer recentelijk door kunstmatige intelligentie geleide selectie van componenten met hoge doorvoer.

Onderzoekers hebben ontdekt dat de oppervlaktemobiliteit van amorfe materialen (materialen zonder detecteerbare kristalstructuur) veel sneller is dan in bulk door een verscheidenheid aan materialen te bestuderen. Er bestaat ook sterk bewijs om de snelle oppervlaktedynamica uit te breiden van monoatomaire lagen naar de nanometerschaal om amorfe materialen te vormen. Terwijl eerder werk suggereert dat snelle atomaire oppervlaktedynamica metalen glazen van verschillende typen kan verbinden, het eenvoudig aanraken van twee metalen glasoppervlakken bij lage temperaturen vergemakkelijkt niet onmiddellijk de vorming van een metaalverbinding. Om metalen glazen te verbinden door de atomaire mobiliteit van het oppervlak te versnellen, men moet druk uitoefenen en de temperatuur verhogen. In het huidige werk, Ma et al. de oppervlaktemobiliteit drastisch versneld om ultrasnelle metaalbinding te creëren onder ultrasone trillingen bij kamertemperatuur. Ze overwonnen de limiet van het glasvormend vermogen (GFA) om BMG's (bulkmetallische glazen) te synthetiseren en metallische glascomposieten (GGC's) te vormen die tot nu toe niet zijn gerapporteerd.

Om de activeringsenergie op het metalen glasoppervlak en in de bulk te onderzoeken, de wetenschappers pasten moleculaire dynamica (MD) -simulaties toe in combinatie met activatie-ontspanningstechniek nouveau (ARTn). fysiek, de activeringsenergie is gerelateerd aan de energie die nodig is om lokaal hoppen tussen aangrenzende deelbekkens op het potentiële energielandschap op gang te brengen. Om de activeringsenergieverdelingsprofielen aan het oppervlak van een metallisch glas statistisch te analyseren, het onderzoeksteam verdeelde het monstermodel in verschillende lagen met een dikte van vier Angstrom (Å) evenwijdig aan het oppervlak. De werkelijke oppervlaktelaag vertoonde buitengewoon lage energieën (ongeveer 0,05 eV) om zich in een exponentieel afnemende modus te gedragen om te suggereren dat de activeringsenergie in het bulkgebied verschillend was van het oppervlak.

Om de activering van het metallische glasoppervlak beter te begrijpen, de onderzoekers bestudeerden de oppervlaktemobiliteit van een op zirkonium (Zr) gebaseerde metalen glasfilm door de visco-elastische verliestangens (dimensieloze meting van een materiaal) in kaart te brengen met behulp van dynamische scanningsondemicroscopie (DSPM). Onder cyclisch mechanisch roeren, sommige oppervlakte-atomen op lokale plekken waren sterk geactiveerd om mechanische energie af te voeren, terwijl anderen dat niet deden. De mappingresultaten ondersteunden sterk de opvatting dat oppervlakte-atomen in metalen glazen een snelle mobiliteit behielden. Ma et al. verwacht daarom dat een snel bindingsproces effectief wordt geactiveerd in de aanwezigheid van een geschikte hoge aandrijffrequentie.

Om een ​​door hoge rijfrequentie geïnduceerd snel bindingsproces te vergemakkelijken, de wetenschappers voerden ultrasone trillingen uit op verkruimelde BMG-linten. Voor deze, ze plaatsten de metalen glazen lintmonsters in een basisplaat met een holte gemaakt van gecementeerd carbide en oefenden een lage voorbelasting (~ 12 MPa) uit om de linten stevig vast te klemmen. Vervolgens pasten ze de sonotrode (een akoestische boor) toe met een frequentie van 20, 000 Hz. Het team gebruikte drie verschillende typische legeringssystemen, waaronder op lanthaan (La) gebaseerde, lood (Pb)-gebaseerd, en op zirkonium (Zr) gebaseerde metalen glaslintmonsters, eerder bereid met behulp van conventionele smeltgesponnen processen.

Met behulp van een speciaal ontworpen experimentele opstelling, ze voegden de linten samen in een bulkmonster onder constante ultrasone trillingen gedurende minder dan twee seconden. Ma et al. ontworpen bulk Zr-gebaseerde staven met behulp van lintgrondstof, inclusief op La gebaseerde en op Pd gebaseerde bulkstaven met hetzelfde proces. Echter, als de onderzoekers de lintmonsters hadden uitgekristalliseerd vóór ultrasone trillingen, ze zouden geen "bindend" effect hebben waargenomen, resulterend in plaats daarvan in gebroken nesten. Opmerkelijk, de unieke amorfe aard was de sleutel tot lintverbinding om BMG's te vormen als niet-kristallijne monsters die amorf bleven tijdens hoogfrequente ultrasone trillingen. De ultrasoon gefabriceerde BMG's waren dicht als gegoten monsters en vertoonden lage porositeiten. De voorlopige resultaten van de nieuwe aanpak zijn veelbelovend voor de ontwikkeling van metalen glazen van een bulkformaat.

Geïnspireerd door de eerste resultaten, Ma et al. ontwikkelde BMG's met meerdere amorfe fasen en componenten met behulp van hoogfrequente trillingen en creëerde meerfasige BMG's door verschillende soorten linten te combineren. Om dit te bereiken, ze snijden metalen glaslinten van verschillende systemen in stukjes, mengde ze in een vormholte en verkregen bulkmonsters met behulp van ultrasone trillingen om de linten in een bulk samen te voegen.

Het onderzoeksteam gebruikte röntgendiffractiepatronen om aan te tonen dat zowel enkelfasige als meerfasige BMG's hun amorfe structuren behielden. De wetenschappers onderzochten ook de microschaal- en atomaire structuren van BMG's met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HRTEM) om de aanwezigheid van verschillende amorfe structuren van verschillende fasen te bevestigen. Om de elementaire distributie over de interface te bestuderen, ze gebruikten energie-dispersieve spectroscopie (EDS) en merkten een mate van vermenging door diffusie op. Daarna, met behulp van moleculaire dynamica (MD) simulaties, Ma et al. onthulde de atomaire oorsprong van ultrasone snelle binding en merkte op dat de mobiliteit van oppervlakte-atomen drastisch verschilt van die in de bulk; wat typisch is voor amorfe materialen.

Op deze manier, Jiang Ma en collega's demonstreerden een door echografie mogelijk gemaakte verbindingsaanpak om metalen glazen van bulkformaat te synthetiseren met behulp van enkele of meerdere amorfe fasen. Het proces had fundamenteel betrekking op de ultrasnelle mobiliteit van metalen glazen. De nieuwe methode maakt het ontwerp van meerdere fasen en microstructuren mogelijk. De onderzoeksresultaten zullen een nieuw en flexibel proces tot stand brengen voor het ontwerpen en ontwikkelen van nieuwe metalen glassystemen, om de toepassingen van amorfe materialen aanzienlijk uit te breiden.

© 2019 Wetenschap X Netwerk