非晶材料
關注創建者：夏崧崧 創建時間：2016-03-03
非晶材料的實例教程
研究發現，該非晶合金及復合材料具有優異斷裂韌性主要歸因于熱噴涂產生的扁平狀層間結構，阻礙裂紋貫穿性擴展，從而提高材料的斷裂韌性。在此基礎上，輔以預制模板，就可以打印出形狀較為復雜的三維非晶零件。相比于傳統激光3D打印技術，TS3DP技術具有更高的3D打印效率（是激光3D打印的4-10倍）。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸、高韌性非晶合金及復合材料的新方法，也為促進高性能非晶合金及復合材料的工業應用奠定基礎。
【圖文導讀】
圖1. 熱噴涂3D打印技術原理示意圖以及大尺寸Fe基非晶合金及復合材料樣件
圖2. 熱噴涂3D打印成形非晶合金及復合材料的顯微結構表征（SEM、TEM）
圖3. 熱噴涂3D打印非晶合金及復合材料的壓縮性能與斷裂韌性
圖4. 熱噴涂3D打印非晶合金及復合材料的斷裂與增韌機理分析
圖5. 采用模板輔助熱噴涂3D打印技術制備的形狀復雜的非晶合金及復合材料構件
【小結】
在這個工作中，研究人員開發出一種新型熱噴涂3D打印技術，成功制備出大尺寸Fe基非晶合金及其復合材料，該材料具有高強度（>1.8 GPa）及良好的斷裂韌性（13-21 MPa 1/2）。
在此基礎上，輔以預制模板，打印出形狀較為復雜的三維非晶零件。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸、高韌性非晶合金及復合材料的新方法，也為促進高性能非晶合金及復合材料的工業應用奠定基礎。該研究得到了國家自然科學基金項目（51531003；51471074）以及科技部973項目（2015C856801）等資助。
展開 非晶態合金（又稱金屬玻璃）是50多年前發現的一類新型的非晶材料，它的發現極大豐富了金屬物理的研究內容，日益成為凝聚態物理的研究前沿。非晶合金表現出很多獨特的物理、化學性質，特別是塊體非晶合金具有優異的力學性能，例如超高的強度和斷裂韌性、高強度、低彈性模量等。
塊體非晶合金被認為是迄今為止發現的最強、最硬、最軟、最韌的金屬結構材料。盡管近年來在非晶合金方面涌現出大批的研究成果，但非晶合金中的一些基本問題仍然缺乏清晰的認識，例如非晶態轉變的物理本質和非晶合金優異力學性能的物理本源等。目前的研究表明這些問題都與非晶合金中復雜的多重弛豫行為有關聯。在非晶態合金形成過程中，存在長時結構弛豫與短時次級弛豫（弛豫）并存的多重動力學行為，次級弛豫的行為表征以及微觀機制是目前非晶合金研究中的關鍵問題。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室汪衛華研究組和北京理工大學呂勇軍課題組合作，采用分子動力學方法研究了非晶CuZr合金薄膜的弛豫動力學行為。在非晶態合金的弛豫動力學研究方面取得新進展，揭示了二維非晶合金薄膜材料中次級弛豫形成的微觀機理，發現在接近非晶態轉變的過冷區域存在快慢兩種亞模式。
這種多尺度的弛豫行為一直延續到非晶態。模擬結果進一步表明，弛豫在非晶態轉變溫度附近存在著一個動力學轉變。進一步的單粒子動力學分析發現轉變前的弛豫主要是隨機的、熱激活的單粒子跳躍，轉變后的弛豫主要是高度關聯的協同跳躍，后者與應力不均勻性存在著內在聯系，從而給出了非晶合金中弛豫的清晰物理圖像。這些結果對認識非晶的本質、調控非晶材料的物理性質具有意義。
相關研究成果發表在近期的《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 120, 155501 (2018)]上，該工作得到了國家自然科學基金委的資助和支持。
展開 作為目前已經被大量市場化的應用材料，低維材料表現出各種優異性能，在半導體、光學、醫藥、能源、信息技術等領域及人們日常生活用品中都扮演著重要的角色。同時凝聚態物理諸多前沿問題也都與低維材料及其制備工藝息息相關。然而，目前對于低維非晶材料的研究及相關報道還很少。2007年，Ediger利用薄膜沉積技術獲得了超穩玻璃，2008年Forrest發現玻璃表面具有類液體性質(49)，此后非晶薄膜與表面的研究逐漸得到了研究者們的關注。由于對納米非晶顆粒的動力學特征以及與其相似尺度的晶體材料的差異研究很少，因此，低維非晶材料動力學行為研究對認識非晶基本科學問題如玻璃轉變、力學行為具有重要意義。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心汪衛華研究組在低維非晶顆粒動力學研究中取得進展，博士生曹乘榕等在研究員白海洋的指導下，和谷林研究組合作，通過PLD在非晶氮化硅襯底上沉積Pd80Si20超薄膜，形成不同尺寸的PdSi納米顆粒（如圖1所示）。在電子束輻照條件下，通過高分辨透射電鏡和球差電鏡原位觀測，實時觀測到這種納米顆粒逐漸開始隨機運動，并在顆粒間距小于1nm時發生顆粒之間的碰撞融合，整個過程僅在數秒至幾十秒內完成，如圖2所示。根據納米顆粒合并過程的觀察時間t，利用顆粒融合模型：τ=ηd/γ，估算出納米顆粒的粘度值η，τ為合并弛豫時間，γ為顆粒表面能，d為顆粒直徑。研究發現納米顆粒粘度與直徑有冪律關系：η∝d4.2。圖3和圖4展示了非晶顆粒、晶體顆粒及非晶-晶體顆粒合并過程中動力學差異對比。可以看出相同尺寸的非晶顆粒在80秒內完成了整個合并過程，但晶態顆粒到100秒時仍未完全合并，從而觀測到非晶顆粒具有比晶態顆粒更高的動力學活性。
展開 傳統電機鐵心材料一般選用冷軋硅鋼片，而非晶合金材料與硅鋼片相比，其加工過程更加環保，且具有更低的鐵心損耗，應用于電機鐵心可以使電機鐵耗顯著降低，從而提高效率。
1 電機參數及混合疊壓方法
1.1 定子材料
原電機所用的硅鋼材料牌號為B35AV1900，所用非晶合金材料牌號為Metglas2605SA1。圖1為由湖南聯眾MATS-2010S軟磁測量裝置測得的硅鋼材料和非晶合金試樣的磁化曲線。對比兩者磁化曲線可知，硅鋼材料的飽和磁通密度（簡稱“磁密”）約為1.80 T，非晶合金的飽和磁通密度約為1.44 T，在相同磁場強度情況下，非晶合金對應的磁通密度小于硅鋼材料的磁通密度。
圖1 硅鋼和非晶合金的磁化曲線
Fig.1 Magnetization curves of silicon steel and amorphous alloy
1.2 電機參數
以一臺8極48槽內置式永磁同步電機為例進行定子混合疊壓再制造。電機的參數見表1。
表1 電機主要參數
Tab.1 Main parameters of motor
1.3 混合疊壓方法
受到原鐵心材料和結構的限制，再制造的電機鐵心性能較差。利用性能優異的非晶材料替換原鐵心，可以顯著降低鐵心的損耗，但非晶材料飽和磁密較小，且成本較高。通過合理選擇材料比例，將非晶材料與硅鋼材料組合使用，既能降低電機損耗、提升電機綜合性能，又能充分利用零部件，降低再制造成本。定子混合疊壓是將不同材料沿電機軸向間隔疊壓制成定子鐵心，規定相同材料的每段疊片段長度相等。再制造時，不同疊片段除材料不同外，鐵心結構與尺寸均相同，并保持與原電機一致。混合疊壓定子見圖2，其中A和B代表不同的材料。
展開 傳統電機鐵心材料一般選用冷軋硅鋼片，而非晶合金材料與硅鋼片相比，其加工過程更加環保，且具有更低的鐵心損耗，應用于電機鐵心可以使電機鐵耗顯著降低，從而提高效率。
1 電機參數及混合疊壓方法
1.1 定子材料
原電機所用的硅鋼材料牌號為B35AV1900，所用非晶合金材料牌號為Metglas2605SA1。圖1為由湖南聯眾MATS-2010S軟磁測量裝置測得的硅鋼材料和非晶合金試樣的磁化曲線。對比兩者磁化曲線可知，硅鋼材料的飽和磁通密度（簡稱“磁密”）約為1.80 T，非晶合金的飽和磁通密度約為1.44 T，在相同磁場強度情況下，非晶合金對應的磁通密度小于硅鋼材料的磁通密度。
圖1 硅鋼和非晶合金的磁化曲線
Fig.1 Magnetization curves of silicon steel and amorphous alloy
1.2 電機參數
以一臺8極48槽內置式永磁同步電機為例進行定子混合疊壓再制造。電機的參數見表1。
表1 電機主要參數
Tab.1 Main parameters of motor
1.3 混合疊壓方法
受到原鐵心材料和結構的限制，再制造的電機鐵心性能較差。利用性能優異的非晶材料替換原鐵心，可以顯著降低鐵心的損耗，但非晶材料飽和磁密較小，且成本較高。通過合理選擇材料比例，將非晶材料與硅鋼材料組合使用，既能降低電機損耗、提升電機綜合性能，又能充分利用零部件，降低再制造成本。定子混合疊壓是將不同材料沿電機軸向間隔疊壓制成定子鐵心，規定相同材料的每段疊片段長度相等。再制造時，不同疊片段除材料不同外，鐵心結構與尺寸均相同，并保持與原電機一致。混合疊壓定子見圖2，其中A和B代表不同的材料。
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分享這個代碼的主要原因：一方面，它很適合做玻璃、非晶材料、壓痕問題中的壓力敏感塑性分析；另一方面，它也是學習 cap 模型、致密化硬化和隱式本構積分的一個很好的范例。論文結果表明，這一模型能夠較好復現實驗載荷—位移曲線以及壓痕致密化分布，不過需要明確指出的是，當前模型暫時還沒有考慮剪切硬化，因此更適合用于理解“壓痕致密化”這一核心機制，而不是直接覆蓋所有復雜失效問題。
應用新材料
? 超級銅線、軟磁復合材料、非晶合金和鐵鎳合金等先進材料在高轉速（超3萬轉）和高頻率（900赫茲以上）下各有優缺點。
? 若不考慮成本，鐵鎳合金在提升電機力矩特性方面表現出色，而非晶合金適合高轉速和大功率應用。
借鑒小米
? 小米采用了系統級電機設計方案優化。
呂堅教授的研究方向涉及先進納米結構材料的制備和力學性能，3D打印先進材料與新能源與低碳高效能源利用（太陽能海水淡化，電解水制氫），先進納米與非晶結構材料制備與力學等。
題目：Unraveling thermal transport correlated with atomistic structures in amorphous gallium oxide via machine learning combined with experiments
介紹：非晶材料的熱輸運特性對其在能源和電子器件中的新興應用至關重要。
采用等溫鍛造或超塑性鍛造，不僅可以成形許多常規金屬材料，而且可以成形許多常規變形方法不能加工的低塑性、難變形材料，目前已廣泛應用到合金鋼、鈦合金、鋁合金、鎂合金、高溫合金、金屬間化合物、大塊非晶、復合材料以及粉末材料的成形加工方面。等溫鍛造和超塑性鍛造工藝規范的確定以材料流動應力低、塑性高、氧化少為原則，并要兼顧到模具材料的承受能力。
此模型具有較完善之能力去表征半結晶性材料及非晶性材料的PVT關系，目前已廣泛應用于主要的CAE計算中，此模型也是Moldex3D中最推薦應用的。
此處須應用到13個參數，其中式子表征出半結晶性材料在熔點附近其體積突變之特性。針對非結晶性材料而言，其線性的PVT關系只須要 b7, b8 及b9 是在Moldex3D中，Tt 也被用來表征材料在其轉化溫度附近其黏度突變之特性。
同一聚合物因相態結構不同也表現不同的導熱溫度依賴行為，結晶聚合物的導熱行為常類似無機非晶材料如石英、硅等，由于非諧性聲子散射增強，導熱隨溫度增加而減少，服從 k∝T-1 關系；而對非晶聚合物，歸因于 Tg 以上熱膨脹引起的聚合物的密度降低，微布朗運動活躍，分子運動能力增強，引起構象變化如鏈段旋轉和扭結等模式運動，故聚合物的導熱 k 降低。
對于確定聚合物材料而言，c和??是一個確定的值，但由于非晶材料內部分子排列是短程有序、長程無序結構，聲子平均自由程被限制在幾個晶胞間距內，因此，目前大幅提高聚合物材料熱導率是一種挑戰。
Kim 等人將具有高混溶性且可實現連接結構的兩種聚合物進行混合，發現共混物可以產生致密和均勻分布的導熱鏈，獲得了更高的導熱系數。此外，在聚合物中加入高導熱填料也可以改善其熱導率。
研究非晶氧化鎵的熱輸運特性對其在能源與光電子器件的熱管理及能量轉化等方面的應用至關重要。
近年來，通過考慮模態相干作用和非諧性對熱導率的貢獻，非晶材料的導熱理論取得了一定進展，然而，由于非晶材料原子尺度結構的復雜性及當前實驗和計算手段的局限性，全面理解非晶材料的結構對熱輸運特性的影響機理并建立二者之間的定量關系仍是凝聚態材料物理中待解決的挑戰性難題。
表 １ 非晶合金 Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１帶材與冷軋硅鋼片 ＤＷ３１０＿３５ 的性能參數
從表１中可以看出:雖然非晶材料的飽和磁感小于硅鋼片，但是其可以在較小的磁場下迅速達到飽和，具有很高的有效磁導率 ；非晶材料具有電阻率小、矯頑力小及厚度薄的優點，作為鐵心材料可使鐵耗大幅下降；非晶材料密度小
