Inom glas- och vätskevetenskapen är den så kallade skörheten ett nyckelbegrepp som kännetecknar hur snabbt vätskedynamiken slår ned på att sänka temperaturen. En långvarig utmaning är dock att förekomsten av kristallisation hindrar utvärderingen av bräcklighet i glasbildande material.
Ett team av forskare har tänjt på gränserna för traditionella tekniker och framgångsrikt samlat in crossover-data om bräcklighet för olika legeringsfamiljer. De har föreslagit det underliggande ursprunget till bräcklighet i metalliskt glas (MG) ur en elektronisk struktursynpunkt och gett insikter för materialdesign.
Vanligtvis bestäms vätskors bräcklighet genom att mäta vätskans viskositet vid olika temperaturer. En kombination av tekniker är emellertid ofta nödvändig för att täcka hela viskositetsområdet. Alternativt kan bräckligheten också uppskattas genom differential scanning kalorimetri (DSC) från dess glasartade tillstånd.
Icke desto mindre hindrar utmaningar som kristallisationsinterferens, begränsade uppvärmningshastigheter för DSC och termisk historia den exakta bestämningen av bräcklighet över olika sammansättningsintervall. Därför är nyckelfrågan här hur man effektivt mäter bräcklighet över ett brett spektrum av kompositioner.
Ett team av kinesiska forskare har nu använt snabb kalorimetrisk analys för att få exakta sammansättningsberoende bräcklighetsdata i La-Ni-Al och Cu-Zr-Al metallglassystem. Spännande nog avslöjade deras fynd en subtil sammansättningsberoende trend i bräcklighet:vid en viss punkt ledde en liten ökning av Al-innehållet till en signifikant minskning av bräcklighetsvärdet, vilket uppvisade ett plötsligt hopp eller korsningsbeteende.
Forskarna använde en kombination av tekniker, inklusive röntgenfotoelektronspektroskopi, resistansmätningar, elektroniska strukturberäkningar och DFT-baserade djuplärande atomsimuleringar, för att utforska den underliggande mekanismen för denna bräcklighetsövergång.
Deras analys antydde att minskningen av bräcklighet kunde kopplas till bildandet av kovalent-liknande bindning mellan Al-Al-interaktioner utlöst av införandet av ytterligare aluminium. Således har de så småningom upptäckt vad som styr vätskebräckligheten i metalliska vätskor.
Den ultrasnabba kalorimetriska analysen kommer att kunna ge en mer omfattande skörhetsdatabas. Baserat på bräcklighetsdata och det elektroniska strukturperspektivet kommer fler olika amorfa material att utformas.
Dessa fynd ger insikt i ursprunget till bräcklighet i metalliska vätskor ur ett elektroniskt strukturperspektiv och banar ett nytt sätt för design av metallglas.
Forskningen har nyligen publicerats i Materials Futures .
Mer information: Hui-Ru Zhang et al, Fragility crossover medierad av kovalent-liknande elektroniska interaktioner i metalliska vätskor, Materials Futures (2024). DOI:10.1088/2752-5724/ad4404
Tillhandahålls av Songshan Lake Materials Laboratory
