我国学者在金属玻璃材料抗老化研究方面取得重要进展
日期 2019-09-18  来源:数理科学部  作者:张攀峰 雷天刚


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图. 金属玻璃各类结构年轻化方法的比较:过剩弛豫焓与年轻化实现时间的关系


  在国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(批准号:11522221)、重大项目(批准号:11790292)等资助下,中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室蒋敏强研究员与中国科学院物理研究所汪卫华院士等合作,在金属玻璃材料抗老化方面取得重要进展,首次在实验上实现了一种典型金属玻璃在超快时间尺度内结构的极端年轻化。相关成果以“Ultrafast Extreme Rejuvenation of Metallic Glasses by Shock Compression”(通过冲击压缩实现金属玻璃超快极端年轻化)为题,于2019年8月23日在Science Advances(《科学进展》)上发表,论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw6249。

  亚稳态的玻璃材料具有向热力学平衡态的自发老化(aging)趋势,同时伴随着材料性能的劣化。但是,通过外部能量输入,老化的玻璃物质能够重新实现结构的年轻化(rejuvenation)。这一反老化(anti-aging)过程一方面有助于对玻璃复杂动力学行为的基本理解,另一方面也有利于玻璃材料的工程应用。

  金属玻璃是一类以金属键结合的新型玻璃态材料。由于不存在位错、晶界等传统意义的晶体缺陷,金属玻璃具有一系列突出的力学、物理性能,作为高速动能武器材料、高性能空间防护材料具有巨大的应用前景。近年来,针对金属玻璃材料,一系列基于非仿射变形的结构年轻化方法被提出,以期对材料的力学、物理性能进行有效调控。但是,之前所有的年轻化方法都工作在较低应力水平且需要足够长的时间尺度,因而具有很大的局限性。

  蒋敏强研究员及其合作者基于轻气炮装置的双靶板平板撞击技术,实现了典型锆基金属玻璃在约365纳秒内快速年轻化到一种高焓极端无序状态。该技术的挑战性在于对金属玻璃施加几个GPa量级的单脉冲加载和瞬态自动卸载,从而避免剪切带、层裂等材料动态失效;同时,通过控制飞片撞击速度,可使金属玻璃的快速年轻化“冻结”在不同水平。

  研究人员从热力学、多尺度结构和声子动力学“玻色峰”三个角度,对金属玻璃的超快年轻化过程进行了全面研究,揭示出玻璃结构年轻化源于纳米尺度原子团簇以“剪切转变”模式诱导的自由体积产生。基于这一物理机制,并采用蒋敏强等之前提出的非晶塑性模型,定义了一个无量纲Deborah数,从理论上阐明了金属玻璃超快年轻化的时间尺度可能性。

  该研究工作使实现金属玻璃结构年轻化的时间尺度提高了至少10个数量级,拓展了这类材料的应用领域,也加深了人们对玻璃超快动力学的认知。