Adv. Eng. Mater.綜述帶你了解納米玻璃的結(jié)構(gòu)與性能

【引言】

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。

【成果簡介】

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。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1:基于Gleiter等人的工作,圖示納米晶材料和納米玻璃的缺陷和化學(xué)顯微結(jié)構(gòu)之間的類比。

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圖2:徑向分布函數(shù)的示意圖:無序原子結(jié)構(gòu),計(jì)算得到的對分布函數(shù)和計(jì)算得到的徑向分布函數(shù)。

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圖3:納米束衍射序列acquisition的示意圖,后續(xù)進(jìn)行RDF處理以得到RDF立方體。

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圖4:TEM顯微形貌表征。

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(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。

圖5:凝聚態(tài)物質(zhì)的Voronoi多面體。

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(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。

圖6:納米玻璃的TEM表征。

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(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。

圖7 Ni50Ti45Cu5 磁控濺射薄膜的顯微結(jié)構(gòu)。

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(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。

圖8:初級 Fe90Sc10 非晶態(tài)納米顆粒中Fe和Sc分布情況的EELS分布圖。

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(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。

圖9 :Fe25Sc75 納米玻璃的RDF分布表示結(jié)構(gòu)漲落及其與元素偏析之間的關(guān)聯(lián)。

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(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。

圖10:Cu50Zr50納米玻璃樣品的成分分布情況。

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(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。

圖11:分子動力學(xué)模擬得到的Cu50Zr50納米玻璃的顯微結(jié)構(gòu)。

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(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。

圖12:原始和被壓縮的Fe90Sc10非晶態(tài)納米顆粒的小角X射線散射結(jié)果。

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(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。

圖13:通過熔融紡絲和內(nèi)部氣相凝聚(IGC)制備得到的非晶態(tài) Fe90Sc10 合金的RDF。

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圖14:熔體甩帶的帶材(a)和納米玻璃(b)的低溫Mossbauer譜。

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圖15:設(shè)想中的納米玻璃結(jié)構(gòu)的模型示意圖。

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圖16:晶態(tài)材料,金屬玻璃和兩種納米玻璃的自由能狀態(tài)。

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圖17:快淬帶材和納米玻璃在壓痕應(yīng)變速率為 0.05s-1 時(shí)測得的典型納米壓痕曲線。

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圖18:制得的納米玻璃和周圍有明顯剪切帶的熔體甩帶的帶材中壓痕的SEM成像。

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圖19:納米玻璃和快冷玻璃的拉伸實(shí)驗(yàn)。

Adv. Eng. Mater.綜述帶你了解納米玻璃的結(jié)構(gòu)與性能的圖19

(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。

圖20: Cu50Zr50 快冷帶材和納米玻璃的DSC圖。

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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。

圖21: Fe25Sc75 納米玻璃的熱應(yīng)變和初始熱膨脹測量過程中出現(xiàn)的體積損失。

Adv. Eng. Mater.綜述帶你了解納米玻璃的結(jié)構(gòu)與性能的圖21

【小結(jié)】

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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