Materialforskare och ingenjörer syftar till att designa och utveckla bulkglasögon (BMG) med utmärkta egenskaper. Den största tekniska utmaningen är att skala upp deras storlek och förbättra materialegenskaperna i labbet. Nu skriver jag vidare Vetenskapliga framsteg , Jiang Ma och ett team av tvärvetenskapliga forskare tog upp problemet genom att samarbeta mellan avdelningarna för Micro/Nano Optomechatronic Engineering, Maskinteknik, Datavetenskaplig forskning och instituten för mekanik och fysik. De demonstrerade en ny metod för att syntetisera BMG (bulkmetallglas) och metalliska glas-glas-kompositer med metallband av metallglas. Med ultraljudsvibrationer, de aktiverade fullständigt spänningsavslappningen i atomskala i det ultratunna ytskiktet för att påskynda atombindningen mellan band vid en låg temperatur; långt under glasövergångspunkten. Det nya tillvägagångssättet övervann storleken och sammansättningsgränserna förknippade med konventionella metoder för att underlätta snabb bindning av metalliska glas med distinkta fysikaliska egenskaper utan kristallisation. Forskningsarbetet öppnar ett nytt fönster för att syntetisera BMG med utökad komposition för att möjliggöra upptäckt av multifunktionella glas-glas-kompositer som hittills inte varit rapporterade.

Glas är ett oumbärligt material genom hela mänsklighetens historia, spelar en praktisk roll i vetenskaplig forskning och vardagsliv. Naturliga eller konstgjorda varianter av glas hittar extrema tillämpningar inom optik, bioteknik, medicin och elektronik. Bulk metalliska glasögon är ett bra modellmaterial för att studera strukturen och egenskaperna hos täta slumpmässiga förpackningsglas, väcker stor uppmärksamhet sedan de upptäcktes. Materialen är mycket lovande i framtida applikationer för att utveckla sportartiklar, biomedicinsk utrustning och elektronisk utrustning på grund av deras höga elastiska gräns och utmärkta slit-/strålningsbeständighet.

Dock, kristallisationshastigheterna för de kända glasbildande metallvätskorna förblir storleksordningar högre än vanliga glasbildande material, såsom polymerer, silikater eller molekylära vätskor. Som ett resultat, glasbildningsförmågan (GFA) förblir en mångårig fråga för grundforskning, samtidigt som man inför en flaskhals för potentiella tillämpningar av BMG. Överlägsen GFA finns bara i ett begränsat antal system för närvarande för att bilda bly (Pd), zirkonium (Zr) och titan (Ti) -baserade BMG. Forskare har tidigare gjort betydande insatser för att förstå och förbättra BMG:s GFA för att övervinna befintliga gränser genom att införliva termodynamik, gnista plasma sintring, termoplastiska sammanfogningsmetoder och mer nyligen artificiell intelligensstyrd komponentval med hög kapacitet.

Forskare har upptäckt att ytmobilitet för amorfa material (material utan någon detekterbar kristallstruktur) är mycket snabbare än i bulk genom att studera en mängd olika material. Det finns också starka bevis för att utvidga snabb ytdynamik från monoatomiska lager till nanometerskalan för att bilda amorfa material. Medan föregående arbete tyder på att snabb ytdynamik kan förena metalliska glasögon av olika slag, Att bara vidröra två metalliska glasytor vid låga temperaturer underlättar inte omedelbart metallisk bindning. För att förena metalliska glasögon genom att påskynda ytmässig atomrörlighet, man måste applicera tryck och höja temperaturen. I det nuvarande arbetet, Ma et al. accelererade dramatiskt ytrörligheten för att skapa ultrasnabb metallisk bindning under ultraljudsvibrationer vid rumstemperatur. De övervann gränsen för glasbildningsförmåga (GFA) för att syntetisera BMG (bulkglasögon) och bilda metalliska glaskompositer (GGC) som hittills inte har rapporterats.

För att utforska aktiveringsenergin på den metalliska glasytan och i bulk, forskarna tillämpade molekylära dynamik (MD) simuleringar kombinerat med aktivering-avslappningsteknik nouveau (ARTn). Fysiskt, aktiveringsenergin är relaterad till den energi som krävs för att utlösa lokal hoppning mellan angränsande delbassänger i det potentiella energilandskapet. För att statistiskt analysera aktiveringsenergidistributionsprofilerna på ytan av ett metallglas, forskargruppen delade provmodellen i olika lager fyra ångström (Å) i tjocklek parallellt med ytan. Det faktiska ytskiktet uppvisade utomordentligt låga energier (approximativt 0,05 eV) för att bete sig i ett exponentiellt förfallet läge för att antyda att aktiveringsenergin i bulkområdet skilde sig från ytan.

För att ytterligare förstå metallisk glasytaktivering, forskarna studerade ytrörligheten för en modell zirkonium (Zr) -baserad metallisk glasfilm genom att kartlägga dess viskoelastiska förlusttangent (måttlös mätning av ett material) med hjälp av dynamisk skanningprobmikroskopi (DSPM). Under cyklisk mekanisk omrörning, vissa ytatomer på lokala fläckar var starkt aktiverade för att sprida mekanisk energi, medan andra inte gjorde det. Kartläggningsresultaten stödde starkt uppfattningen att ytatomer i metalliska glasögon upprätthöll snabb rörlighet. Ma et al. förvänta dig därför att en snabb bindningsprocess effektivt aktiveras i närvaro av en lämplig hög drivfrekvens.

För att underlätta en hög drivfrekvensinducerad snabb bindningsprocess, forskarna genomförde ultraljudsvibrationer på smulade BMG -band. För detta, de placerade metallproverna i metallglas i en bottenplatta med en hålighet av hårdmetall och applicerade ett lågt förspänningstryck (~ 12 MPa) för att klämma fast banden tätt. De applicerade sedan sonotroden (en akustisk borr) med en frekvens av 20, 000 Hz. Teamet använde tre olika typiska legeringssystem inklusive lantan (La) -baserade, bly (Pb) -baserad, och zirkonium (Zr) -baserade metallband av glasbandprover, tidigare beredd med konventionella smältspunna processer.

Med hjälp av en specialdesignad experimentell installation, de sammanfogade banden i ett bulkprov under konstant ultraljudsvibration i mindre än två sekunder. Ma et al. konstruerade bulk-Zr-baserade stavar med bandmaterial, inklusive La-baserade och Pd-baserade bulkstavar med samma process. Dock, om forskarna hade kristalliserat bandproverna innan ultraljudsvibrationer, de skulle inte ha observerat en "bindande" effekt, resulterar istället i trasiga kullar. I synnerhet, den unika amorfa naturen var nyckeln till bandförbindelse för att bilda BMG som icke-kristallina prover som förblev amorfa under högfrekventa ultraljudsvibrationer. De ultraljudstillverkade BMG:erna var täta som gjutna prover och visade låg porositet. De preliminära resultaten av det nya tillvägagångssättet lovar att utveckla metalliska glasögon i bulk.

Inspirerad av de första resultaten, Ma et al. konstruerade BMG med flera amorfa faser och komponenter som använder högfrekventa vibrationer och skapat flerfasade BMG som kombinerar olika typer av band. För att åstadkomma detta, de skär metalliska glasband av olika system i bitar, blandade dem i en formhålighet och erhöll bulkprover med hjälp av ultraljudsvibrationer för att sammanfoga banden i en bulk.

Forskargruppen använde röntgendiffraktionsmönster för att visa att både en- och flerfasade BMG:er behållit sina amorfa strukturer. Forskarna undersökte också mikroskala och atomstrukturer hos BMG med hjälp av högupplöst transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) för att bekräfta förekomsten av distinkta amorfa strukturer i olika faser. För att studera elementärfördelningen över gränssnittet, de använde energidispersiv spektroskopi (EDS) och noterade en nivå av blandning genom diffusion. Därefter, med hjälp av molekylära dynamik (MD) simuleringar, Ma et al. avslöjade atomursprunget för ultraljudsaktiverad snabb bindning och noterade rörligheten hos ytatomer att drastiskt skilja sig från massan; vilket är typiskt för amorfa material.

På det här sättet, Jiang Ma och kollegor demonstrerade ett ultraljudsaktiverat sammanfogningssätt för att syntetisera metallglas i bulk med hjälp av enstaka eller flera amorfa faser. Processen relaterade i grunden till metallglasögonens ultrasnabba mobilitet. Den nya metoden möjliggör design av flera faser och mikrostrukturer. Forskningsresultaten kommer att etablera en ny och flexibel process för att designa och konstruera nya metalliska glassystem, att kraftigt utöka tillämpningarna av amorfa material.

© 2019 Science X Network