Adv. Eng. Mater.綜述帶你了解納米玻璃的結(jié)構(gòu)與性能
近年來,納米玻璃的發(fā)現(xiàn)使得非晶態(tài)金屬或金屬玻璃領(lǐng)域更為豐富。納米玻璃具有長度尺度在幾納米的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,可通過局域自由體積和化學(xué)組成的顯著變化來表征。現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),納米玻璃的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)方法制備得到的金屬玻璃有著顯著差異。通常認(rèn)為納米玻璃的結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)不同的非晶態(tài)區(qū)域,從而引發(fā)一系列顯著不同于快冷金屬玻璃的力學(xué)、熱學(xué)和磁性能。因此,納米玻璃作為一種新的非晶固態(tài)材料,在眾多結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用中具有著開創(chuàng)性的機(jī)遇和潛力。
近日,德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的Yulia Ivanisenko研究員(第一作者兼通訊作者)和Horst Hahn研究員(通訊作者)在Advanced Engineering Materials上發(fā)表了題為“Structure and Properties of Nanoglasses”的綜述文章。此篇綜述的基本結(jié)構(gòu)如下:首先描述了納米玻璃背后的基礎(chǔ)概念;接著對其合成和制備路徑作了總結(jié),證明納米玻璃原子結(jié)構(gòu)的顯著差異;最后,說明納米玻璃的結(jié)構(gòu)不均勻性是如何導(dǎo)致其性能的劇烈變化的。
(a)未過濾的TEM圖像;
(b)相應(yīng)的Ti的EFTEM分布;
(c)相應(yīng)的Ni的EFTEM分布;
(d)Ni50Ti45Cu5薄膜的疊加彩圖;
(e)非晶態(tài)Ni50Ti45Cu5結(jié)構(gòu)的HRTEM圖像。
(a)面心立方晶格中原子周圍的多面體;
(b)面心立方格子相應(yīng)的Voronoi多面體是一個(gè)菱形十二面體;
(c)展開多面體可以看到12個(gè)菱面體,從而給出Voronoi指數(shù)<0,12,0,0>;
(d)在非晶態(tài)Cu64Zr36中以Cu為中心的二十面體單元;
(e)(d)圖中對應(yīng)的Voronoi多面體是正十二面體;
(f)將(e)圖經(jīng)展開平鋪后得到12個(gè)五邊形面。
(a)Cu50Zr50非晶態(tài)納米顆粒的TEM圖像,內(nèi)插圖表示通過SAED確定粉末的非晶態(tài)本質(zhì);
(b)HRTEM圖像顯示納米玻璃為無晶相區(qū)域的非晶態(tài)結(jié)構(gòu),相應(yīng)的衍射模式間內(nèi)插圖。
(a)1μm厚的薄膜表面形貌的SEM圖像;
(b)在Si/SiO2基底上沉積得到的薄膜,經(jīng)FIB制備的橫截面STEM圖像。
(a)STEM圖像;
(b)Fe的分布圖;
(c)Sc的分布圖;
(d)將(b)和(c)疊加得到的圖像,紅色代表Fe,綠色代表Sc;
(e)分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明,由于表面偏析效應(yīng),在IGC方法制備形成的非晶態(tài)球體中存在成分差異;
(f)分子動力學(xué)模擬得到直徑尺寸在6-8nm的Cu50Zr50非晶態(tài)球體。
(a)STEM-HAADF圖像;
(b)在RDF分布中發(fā)現(xiàn)的兩種典型RDF,可描述兩類成分相的不同原子堆積情況;
(c)成分1(綠色)包含更多的Sc-Sc鍵,因此表示富Sc環(huán)境,而成分2(紅色)包含更多的Fe-Sc鍵,表示富Fe環(huán)境;
(d)相分布表示尺寸在5-8納米的兩種成分相的團(tuán)簇類型分布;
(e)兩相的RGB分布;
(f)相同樣品的STEM-EELS分布。
(a)尖端為Cu50Zr50納米玻璃樣品制備的原子探針圖像;
(b)沿(a)圖箭頭方向表示的Cu和Zr的成分分布。
(a)成分定義的顯微結(jié)構(gòu);
(b)原子根據(jù)其von Mises剪切應(yīng)變涂色,表示短程序變化定義的顯微結(jié)構(gòu);
(c)剪切后原子在合成過程的輕微變化和顯著變化。
(a)SAXS譜中,背景散射已被減去;
(b)ln[l(q)·q4]-q2圖確定原始和被壓縮的非晶態(tài)納米顆粒的厚度。
(a)納米玻璃和快冷塊體玻璃的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線;
(b)測試后的快冷玻璃拉伸試樣;
(c)記錄視頻中提取的畫面;
(d)測試后的納米玻璃拉伸試樣;
(e)同為測試后的納米玻璃拉伸試樣,內(nèi)插圖為選區(qū)衍射圖像。
DSC測試表示出玻璃轉(zhuǎn)變和結(jié)晶溫度。納米玻璃的結(jié)晶溫度要高于快冷帶材。
納米玻璃被視為新型的結(jié)構(gòu)調(diào)整過的金屬玻璃,表現(xiàn)出一系列快冷金屬玻璃中未出現(xiàn)的新奇性質(zhì)。不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是由于納米玻璃具有完全不同的制備路徑。納米玻璃通常是經(jīng)過在高壓下室溫合并非晶態(tài)顆粒。納米玻璃的原子結(jié)構(gòu)包含兩種具有顯著差異的非晶態(tài)區(qū)域,一種和快冷玻璃的結(jié)構(gòu)相同,另一種表現(xiàn)出更大的自由體積,且伴隨著中程序增加。這種特殊的原子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致納米玻璃和同成分的快冷塊體金屬玻璃相比,會產(chǎn)生不同的力學(xué)、熱學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。
總的來說,納米玻璃是非晶態(tài)材料家族中新奇有趣的一類,因而在多中結(jié)構(gòu)和功能性應(yīng)用中有著巨大的潛力。然而,要想愿望成真,還需要對納米玻璃的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系進(jìn)行深入理解。另外,為使工業(yè)界的納米玻璃材料能可持續(xù)的制造,在發(fā)展制備技術(shù)方面應(yīng)該加大力度。
文獻(xiàn)鏈接:Structure and Properties of Nanoglasses(Adv. Eng. Mater.,2018,DOI:10.1002/adem.201800404)
來源:材料人
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