Adv. Eng. Mater.綜述帶你了解納米玻璃的結構與性能

【引言】

近年來，納米玻璃的發現使得非晶態金屬或金屬玻璃領域更為豐富。納米玻璃具有長度尺度在幾納米的內部結構特征，可通過局域自由體積和化學組成的顯著變化來表征。現有研究發現，納米玻璃的結構和傳統方法制備得到的金屬玻璃有著顯著差異。通常認為納米玻璃的結構包含兩個不同的非晶態區域，從而引發一系列顯著不同于快冷金屬玻璃的力學、熱學和磁性能。因此，納米玻璃作為一種新的非晶固態材料，在眾多結構和功能應用中具有著開創性的機遇和潛力。

【成果簡介】

近日，德國卡爾斯魯厄理工學院的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上發表了題為“Structure and Properties of Nanoglasses”的綜述文章。此篇綜述的基本結構如下：首先描述了納米玻璃背后的基礎概念；接著對其合成和制備路徑作了總結，證明納米玻璃原子結構的顯著差異；最后，說明納米玻璃的結構不均勻性是如何導致其性能的劇烈變化的。

【圖文導讀】

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顯微結構之間的類比。

圖2：徑向分布函數的示意圖：無序原子結構，計算得到的對分布函數和計算得到的徑向分布函數。

圖3：納米束衍射序列acquisition的示意圖，后續進行RDF處理以得到RDF立方體。

圖4：TEM顯微形貌表征。

(a)未過濾的TEM圖像；

(b)相應的Ti的EFTEM分布；

(c)相應的Ni的EFTEM分布;

(d)Ni50Ti45Cu5薄膜的疊加彩圖；

(e)非晶態Ni50Ti45Cu5結構的HRTEM圖像。

圖5：凝聚態物質的Voronoi多面體。

(a)面心立方晶格中原子周圍的多面體；

(b)面心立方格子相應的Voronoi多面體是一個菱形十二面體；

(c)展開多面體可以看到12個菱面體，從而給出Voronoi指數<0,12,0,0>;

(d)在非晶態Cu64Zr36中以Cu為中心的二十面體單元；

(e)(d)圖中對應的Voronoi多面體是正十二面體；

(f)將(e)圖經展開平鋪后得到12個五邊形面。

圖6：納米玻璃的TEM表征。

(a)Cu50Zr50非晶態納米顆粒的TEM圖像，內插圖表示通過SAED確定粉末的非晶態本質；

(b)HRTEM圖像顯示納米玻璃為無晶相區域的非晶態結構，相應的衍射模式間內插圖。

圖7：Ni50Ti45Cu5磁控濺射薄膜的顯微結構。

(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FIB制備的橫截面STEM圖像。

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

(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)分子動力學模擬結果表明，由于表面偏析效應，在IGC方法制備形成的非晶態球體中存在成分差異；

(f)分子動力學模擬得到直徑尺寸在6-8nm的Cu50Zr50非晶態球體。

圖9：Fe25Sc75納米玻璃的RDF分布表示結構漲落及其與元素偏析之間的關聯。

(a)STEM-HAADF圖像；

(b)在RDF分布中發現的兩種典型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環境，而成分2(紅色)包含更多的Fe-Sc鍵，表示富Fe環境；

(d)相分布表示尺寸在5-8納米的兩種成分相的團簇類型分布；

(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。

(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：分子動力學模擬得到的Cu50Zr50納米玻璃的顯微結構。

(a)成分定義的顯微結構；

(b)原子根據其von Mises剪切應變涂色，表示短程序變化定義的顯微結構；

(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非晶態納米顆粒的小角X射線散射結果。

(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納米顆粒的厚度。

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

圖14：熔體甩帶的帶材(a)和納米玻璃(b)的低溫Mossbauer譜。

圖15：設想中的納米玻璃結構的模型示意圖。

圖16：晶態材料，金屬玻璃和兩種納米玻璃的自由能狀態。

圖17：快淬帶材和納米玻璃在壓痕應變速率為0.05s^-1時測得的典型納米壓痕曲線。

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。

圖19：納米玻璃和快冷玻璃的拉伸實驗。

(a)納米玻璃和快冷塊體玻璃的拉伸應力應變曲線；

(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，內插圖為選區衍射圖像。

圖20：Cu50Zr50快冷帶材和納米玻璃的DSC圖。

DSC測試表示出玻璃轉變和結晶溫度。納米玻璃的結晶溫度要高于快冷帶材。

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

【小結】

納米玻璃被視為新型的結構調整過的金屬玻璃，表現出一系列快冷金屬玻璃中未出現的新奇性質。不同的結構和性質是由于納米玻璃具有完全不同的制備路徑。納米玻璃通常是經過在高壓下室溫合并非晶態顆粒。納米玻璃的原子結構包含兩種具有顯著差異的非晶態區域，一種和快冷玻璃的結構相同，另一種表現出更大的自由體積，且伴隨著中程序增加。這種特殊的原子結構導致納米玻璃和同成分的快冷塊體金屬玻璃相比，會產生不同的力學、熱學和磁學性質。

總的來說，納米玻璃是非晶態材料家族中新奇有趣的一類，因而在多中結構和功能性應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構及結構-性能關系進行深入理解。另外，為使工業界的納米玻璃材料能可持續的制造，在發展制備技術方面應該加大力度。

文獻鏈接：Structure and Properties of Nanoglasses（Adv. Eng. Mater.，2018，DOI：10.1002/adem.201800404）

本文由材料人金屬材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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