Adv.Mater.綜述：基于能量調控設計具有優異性能的非晶/納米晶合金

非晶合金在電力電子、航空航天、催化等領域具有重要應用前景。由于非晶合金具有無序的原子結構特征，難以構建結構-性能間的關聯，極大限制了高性能非晶合金材料的研制和應用。非晶合金處于非平衡亞穩狀態，能量狀態可以在很大范圍變化，通過精準控制能量的弛豫過程，可以建立能量-性能關系，為設計性能優異的非晶/納米晶合金提供了新途徑。

近年來，中國科學院寧波材料技術與工程研究所非晶合金磁電功能特性研究團隊在王軍強研究員帶領下，致力于非晶/納米晶合金的制備和設計、弛豫和晶化等亞穩特征、磁功能特性研究。

前期研究成果

Adv. Funt. Mater. 2024, 2313355;

Proc. Natl. Acad. Sci. 2023, 120, e2302776120

Nature Commun. 2023, 14, 8407

Sci. China-Phys. Mech. Astron. 2023, 66, 256111

Mater. Today Phys. 2021, 21, 100528

Phys. Rev. Lett. 2020, 125, 135501

Acta Mater. 2020, 185, 38

Phys. Rev. Mater. 2018, 2, 063601

Acta Mater. 2016, 104, 25

Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 2567

近日，該團隊受邀在國際知名期刊Advanced Materials上發表題為“Designing Advanced Amorphous/Nanocrystalline Alloys by Controlling the Energy State”的綜述文章。系統總結了通過調控能量狀態設計具有優異功能特性的非晶/納米晶合金的研究進展：尤其重點介紹了非晶合金弛豫規律，弛豫基本單元——弛豫子的發現，以及弛豫子相互作用導致的記憶效應等。也介紹了非晶能量變化對催化、磁性、力學、熱穩定性、晶化等性能的影響規律和機制（圖1）。

圖1 非晶合金能量地形圖，調控能量設計具有先進性能的非晶/納米晶合金

本文重點討論了非晶合金能量演化過程中的弛豫動力學規律。介紹了利用高精度閃速差示掃描量熱儀測量非晶合金的熱流變化，探測到符合德拜模型的基本弛豫單元，提出了 “弛豫子”概念。并在實驗上實現了對特定弛豫子的編程式設計，在焓空間中定量表征了不同模式弛豫子的含量（圖2）。

圖2 弛豫子探測、編程化設計和定量表征

作者討論了弛豫子相互作用，及其對納米晶化和軟磁和磁熱性能的影響。一方面介紹了兩種不同模式的弛豫子的相互作用具有不可交換的特點，當從具有小激活能的β弛豫子跳入具有大激活能的α弛豫子區間時，將會激活能量的記憶效應；反之，則不會出現能量記憶效應。另一方面β弛豫子對納米晶形核的影響，提出一種設計微細納米晶結構的新策略。基于此，設計出具有優異軟磁和磁熱性能的新型非晶納米晶合金（圖3）。

最后，作者對非晶/納米晶合金研究進行了展望，討論了影響非晶合金亞穩特征的主要因素及關鍵科學問題。

圖3 通過調控弛豫子含量，設計具有優異軟磁性能的非晶納米晶復合材料。

論文地址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202311406

作者信息

王軍強 寧波材料所研究員

宋麗建 寧波材料所研究員

霍軍濤 寧波材料所研究員

高 ???萌 寧波材料所研究員

張 ???巖 寧波材料所研究員

項目支持

國家重點研發計劃

2018YFA0703600

國家自然科學基金

52231006、52001319、92163108、52271158、52222105、51827801、52201194

浙江省自然科學基金

LGF22E010002、LZ22A030001、LR22E010004

浙江省“尖兵”“領雁”研發攻關計劃項目

2022C01023

寧波市科技創新2025重大專項

2019B10051