九游官方入口金屬研究所和遼寧材料實驗室李秀艷研究團隊發現二元Cu-Zr金屬玻璃的分解可以顯著提高其彈性模量。通過嚴重塑性變形和退火，淬火后的均勻金屬玻璃分解成兩個具有不同化學成分的玻璃相，且兩相尺寸均低于10nm。分解后金屬玻璃的楊氏模量為淬火非晶的139%，與其對應的晶體相當。2024年7月3日，相關工作以題為“Decomposition-induced enhancement of elastic modulus in CuZr metallic glass”的研究論文發表在

　　彈性模量作為固體材料最基本的性質之一，反映了原子之間的結合強度。金屬玻璃由于沒有長程有序的結構，其彈性模量通常比對應的晶體材料低10-30%，并且金屬玻璃的彈性模量在玻璃形成的組成范圍內基本不變。加工過程可能會影響金屬玻璃的彈性模量，比如在較高的冷卻速率下，有更多被“凍結”的自由體積，因此快速退火的非晶條帶通常比具有相同成分的非晶塊體彈性模量更低。另外，金屬玻璃的塑性變形也可能引入更多的缺陷，使其達到更高的能量狀態，導致彈性模量的略微下降。

　　目前，提高金屬玻璃彈性模量的有效方法是在室溫或玻璃化轉變溫度附近退火實現結構弛豫，降低能量狀態，減少自由體積和空間結構不均勻性，通過該方法可將彈性模量提升5-20%。理論上預測具有完全弛豫結構的“理想”玻璃的楊氏模量可能接近其對應的晶體，差距在10%以內，然而這一數值尚未在實際的金屬玻璃中觀察到。

　　李秀艷研究團隊發現二元Cu-Zr金屬玻璃的分解可以顯著提高其彈性模量。通過嚴重塑性變形和退火，淬火后的均勻金屬玻璃分解成兩個具有不同化學成分的玻璃相，且兩相尺寸均低于10nm。分解后金屬玻璃的楊氏模量為淬火非晶的139%，與其對應的晶體相當。

　　圖1：(a) HPT處理后的金屬玻璃明場相及相應的選區電子衍射；(b) 具有成分分解結構的典型STEM圖像及相應的選區電子衍射；(c) 成分分解結構典型的高分辨圖像及其自相關函數分析，黃色虛線非晶相的邊界，小方框表示短程有序的IOP團簇；(d) 兩種非晶相的特征尺寸分布；(e,f) 兩相的元素分布。

　　圖2：(a) 納米壓痕的載荷-位移曲線；(b) 不同狀態樣品的楊氏模量，三角形代表淬火玻璃結晶產物的楊氏模量。

　　該工作利用高壓扭轉對甩帶發制備的Cu-36 at% Zr的金屬玻璃進行了嚴重塑性變形。變形后的非晶除少量剪切帶中的晶體外，基本保持非晶的結構，并且出現了明顯的成分起伏。進一步在晶化溫度以下進行退火，發現此時合金分離為納米級的兩個非晶相，其成分接近Cu10

　　7相與Cu51Zr14相的成分，其結構如圖1（b）所示。分解后金屬玻璃的楊氏模量為相同成分均勻金屬玻璃的139%，接近合金晶體的楊氏模量，如圖2（b）所示。模量的提升可歸因于具有高密度的玻璃/玻璃界面以及非晶相有序度的提升。由于非晶結構的各向同性，玻璃相界面的應變和過剩能量通常非常低，因此，在該研究中界面應變對彈性模量的影響可以忽略。與均勻的非晶態相比，這些界面附近由于存在較大的成分變化，可能呈現帶來局部電子態密度的變化，提升了材料的彈性模量。（來源：科學網）相關論文信息：