西工大新聞網5月27日電（王凡華）日前，材料科學與工程頂尖綜述期刊《Progress in Materials Science》(2017年SCI影響因子為23.75)刊髮長篇綜述論文Structural heterogeneities and mechanical behavior of amorphous alloys。該文第一作者為西北工業大學力學與土木建築學院副教授喬吉超。論文系統分析介紹了高性能結構材料非晶合金的奇妙之處。
論文的其他共同作者還有上海大學王慶研究員，法國國立裡昂應用科學學院Jean-Marc Pelletier教授，日本東北大學加藤秀実(Hidemi Kato)教授，美國海軍實驗室Riccardo Casalini博士，西班牙加泰隆尼亞理工大學Daniel Crespo教授，Eloi Pineda博士，西北工業大學姚堯教授和香港城市大學楊勇教授。喬吉超、姚堯和楊勇為論文的共同通訊作者。
《Progress in Materials Science》專門發表材料科學與工程領域的綜述論文，該期刊不接受自由投稿，年均出版6-8期（每期刊出論文1-6篇），由編輯邀約在相關領域做出突出貢獻的科研工作者撰稿。
何為非晶合金
非晶合金，又稱金屬玻璃，是玻璃形成合金熔體在急速冷卻過程中晶化被抑制，進而使其液態結構被凍結而形成的一種非晶態金屬材料。因此，非晶合金具有長程無序、短程有序的原子結構，兼有金屬和玻璃特性，常呈現比晶態金屬材料更為優異的力學性能，如高強度、高硬度、極大的彈性應變極限和高斷裂韌性等，其結構工程應用前景廣泛。然而，非晶合金作為結構材料也面臨巨大的挑戰，其中一個即其室溫塑性變形高度局限在剪切帶，缺乏宏觀拉伸塑性。
「當然了，這是相對專業的介紹。」喬吉超解釋道，「我們也可以用其他的方式來解讀。」他表示，普通金屬就像一個小學裡的教室，裡面整整齊齊坐滿了聽課的小朋友。下課鈴響後，同學們紛紛離開座位，四處嬉戲玩鬧。這個時候的教室，就像液體狀的金屬，裡面的原子（即小朋友）不再整齊排列。當上課鈴響，同學們迅速回到自己的座位，這就好像液體金屬冷卻後重新恢復成為晶體金屬。但是，這個時候衝進來一個奧特曼，大叫一聲「時間停止」！那些還在外面玩鬧的同學因時空暫停沒法回到自己的位置，此刻的教室就依然是亂糟糟的。「這個時候的教室，簡單來說，就是非晶合金。」
在過去近六十年的時間裡，物理學家和材料科學家付出了巨大的努力研究非晶合金力學行為和性能，以及背後可能存在的結構起源。基於近年來大量的實驗和計算模擬研究，人們日益意識到作為非晶合金本質特徵之一的結構不均勻性在其獨特力學行為和性能中扮演極其重要的角色。從總結的實驗結果看，這種結構不均勻性表現在非晶合金的密度或者化學成分在納米甚至更大尺度上的起伏，從理論上來源於過冷玻璃液體中的結構非均勻性。
縱觀幾十年來非晶材料，包括非晶金屬，的研究歷史，已經有多位科學家因從事和非晶相關的工作獲得諾貝爾獎，其中包括被譽為「光纖之父」華裔物理學家、香港中文大學前校長高錕。
屬於未來的高性能結構材料
我們知道，「更快、更高、更強」是現代體育運動的追求。而在結構材料領域內，科學家們對材料的力學性能也有著相似的努力：更強、更韌、更耐磨，即希望材料具有更高的強度、塑性（韌性）和硬度。
由於結構特殊，非晶合金是一種徹底的人造材料，自然界並不存在。因此，它也被稱為一種「超自然材料」。
也許大家看過電影《終結者2》，其中，反面機器人T1000，擁有液態金屬外表，可以在液、固兩態之間自如切換，從而悄然無息的潛入任何地方。當然，現實中的非晶合金目前還沒有T1000的逆天技能，但是其力學性能出色，是目前強度最高的材料之一。
有這樣優秀的力學性能，非晶合金理應得到更多重視。最初，由於技術限制，非晶合金很難製備出大尺寸塊體。一般來講，魚與熊掌不可兼得，材料的強度或硬度上去了，塑性就相對較差。非晶合金就有這樣的問題。在室溫變形過程中，非晶合金就像玻璃一樣脆，幾乎沒有宏觀塑性。這樣的變形特徵嚴重限制了非晶合金作為結構材料的應用。為解決這一問題，通常向非晶合金中引入第二相，也就是製備非晶合金複合材料，以提升其塑性。自此，非晶合金終於可以作為比較合格的結構材料，走出實驗室，正式投入應用。
作者在綜述非晶合金結構不均性的實驗表徵技術、計算模擬理論分析及影響因素等的基礎上，總結分析了非晶合金結構不均勻性的特徵和力學響應，以及其物理起源的理論基礎，並指出非晶合金結構非均勻性與過冷液體固有特性本徵關聯。隨後，作者進一步探討並提出了非晶合金力學行為及性能與結構不均性關係的建立尚未澄清的基礎科學問題；最後展望了非晶合金結構非均勻性、力學性能及其關聯性研究的發展方向。
喬吉超介紹說，非晶合金具有良好的軟磁性，因此作為功能材料被廣泛應用於變壓器、伺服電機等領域。作為結構材料，非晶合金的應用範圍也很廣泛，涉及航空航天、醫療器械、體育用品等多個前沿領域。比如，蘋果手機製作取卡針的材料便是非晶合金。
未來，非晶合金的應用範圍將進一步擴展。非晶合金是一種屬於未來的材料，將逐漸步入日常生活，為們帶來更多便利。
據悉，該研究相關工作得到了國家自然科學基金(項目編號：11572249和11772257)，中央高校基本科研業務費資助項目【自由探索類，項目編號：3102018ZY010；前瞻布局類(西工大科技創新「310」計劃項目)，項目編號：3102017JC01003】以及「香江學者計劃」(項目編號：XJ2015056)資助。
非晶合金的力學弛豫和力學性能之間的關聯
論文的連結如下：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642519300428#f0435
【第一作者簡介】
喬吉超副教授，在西北工業大學獲得本科和碩士學位，法國國立裡昂應用科學學院(INSA de Lyon)獲得博士學位，此後在法國國家科研中心(CNRS)進行博士後研究。2014年9月到西北工業大學力學與土木建築學院工作，為固體力學專業博士研究生導師，主要研究方向為非晶合金的弛豫機制及粘彈性行為。喬吉超主持非晶合金研究領域省部級以上項目7項，其中國家自然科學基金兩項。為「香江學者」計劃入選者。入選科技部2017年度「中法傑出青年科研人員交流項目」【全國28人入選】。近五年來，以第一作者或通訊作者在International Journal of Plasticity, Acta Materialia, Physical Review B , National Science Review, Journal of Chemical Physics及Scripta Materialia等期刊發表論文30餘篇。ESI高被引論文一篇，單篇SCI引用超過100次的論文一篇。
（審稿：王凡華）