金屬所研製出世界上玻璃形成能力最強的鎂合金

2021-01-15 中國科學院


    近日，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家(聯合)實驗室徐堅研究員領導的研究組，在國家自然科學基金和「中國科學院瀋陽界面材料中心」的資助下，與美國約翰霍普金斯大學E.Ma教授、新加坡國立大學Y. Li教授合作研究出目前世界上玻璃形成能力最強的鎂合金(一種鎂、銅、銀、釓四元合金)，銅模澆鑄的金屬玻璃圓棒直徑可達到25毫米，斷裂強度約1000兆帕。在現已發現的塊體金屬玻璃形成合金中，僅有價格昂貴的鈀、鋯、釔合金的玻璃形成臨界尺寸可達到這一量級，而鎂元素則被視為真正的「工程金屬」。此項成果將登載於10月31日出版、由美國物理學會主辦的《應用物理快報》上。這一研究進展對推動鎂基金屬玻璃的工程應用具有重要意義。

    自從1959年，美國加州理工學院Duwez教授研究組發現快速冷卻(冷卻速率在1000000K/秒量級)的金-矽二元合金熔體可形成玻璃態(也稱非晶態)結構以來，人類對金屬玻璃的研究已經歷了四十多年的歷史。金屬玻璃的結構在原子尺度上不同於普通的多晶體金屬材料，而是類似於液態金屬，原子排列沒有周期性長程有序，僅為短程有序，亦沒有位錯、晶界等晶體材料中常見的點陣缺陷。從原理上說，如果能夠使合金熔體冷卻過程中的結晶受到抑制，將其過冷至玻璃轉變溫度以下，過冷液體便因粘度突變而凍結為液態結構的「金屬玻璃」固體。

    與人們常見的多晶體金屬材料相比，金屬玻璃具有高強度、高硬度、高彈性極限、耐腐蝕、耐磨損等優異性能。進入二十世紀90年代，人們相繼發現一些鈀、鋯、鑭合金在100K/秒的速率下冷卻即可形成金屬玻璃，採用普通的鑄造技術便可獲得金屬玻璃塊體材料，為金屬玻璃的應用展示了令人鼓舞的前景。合金的玻璃形成能力直接依賴於合金成分。玻璃形成能力越強，所需的臨界冷卻速率越低，塊體材料的臨界尺寸越大，越有利於工業化生產與廣泛的應用。在過去的十年裡，塊體金屬玻璃的研究引起了世界上眾多科學家的興趣，新的研究成果如雨後春筍不斷湧現。發展低成本、易於鑄造成為大尺寸塊體材料的新型合金始終是最受關注的目標，同時也是擁有材料最終實用化智慧財產權的關鍵。

    1991年，日本東北大學井上明久研究組在「鎂、銅、釔」 三元合金中首次發現可採用銅模澆鑄形成直徑4毫米金屬玻璃圓棒的合金。此後的研究使玻璃形成能力更好的鎂合金不斷推出，形成金屬玻璃圓棒臨界尺寸的紀錄屢被刷新，競爭十分激烈。截止至今年6月，韓國科學家的結果躍居領先，所發現的鎂合金玻璃直徑達到14毫米(見J. Mater. Res. vol.20, 2005, p.1465)。同時，鎂的價格低廉、可再生回收、無環境汙染等優點，使鎂基金屬玻璃作為新一類輕質、高強度的減重材料為人們所關注。

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