➗ 😁 🥢 专家观点：金属眼镜的未来 🧀 🚞 🛏️

今天我们将向您介绍金属玻璃的未来。为此，我们求助于我们的领先科学家，大块金属玻璃领域的国际专家，技术科学博士，东北大学/日本教授，首席研究员，高级材料研究所的实验室负责人以及NITU 具有高比强度的亚稳态两相金属材料项目经理“ MISiS”-致德米特里·瓦伦蒂诺维奇·卢兹金（Dmitry Valentinovich Luzgin）。考虑到研究的广泛性，研究的范围和所用材料的类型，该项目在俄罗斯和国外都没有类似物。科学家的能力被诸如杂志等科学文章所证实。

Nature，Nanoscale，Acta Materialia，高级功能材料，科学报告，应用物理快报以及在自然通讯，Acta Materialia，应用物理快报，材料研究，材料科学与工程，非晶体固体学报，材料科学杂志。

关于钢和合金的迷人科学故事正等着您！在他的专家看来，Dmitry Valentinovich讨论了金属玻璃的未来，其应用，改善其机械性能的方法以及在特定领域中的应用前景。

动画的完整版本，在出版物的末尾有说明。

... , ,
. / ,
«»

自上世纪末以来，科学家进行的大量实验和理论研究使用经典方法对金属合金的机械性能（特别是特定的：每单位质量）的综合性能进行了微小的改进：固溶硬化，硬化，时效，塑性变形，退火等。。而且，如果在重型工程，造船业（小船除外），汽车工业，钢铁和铝合金行业中处于竞争状态，并且在民航和体育设备中，金属将被非金属复合材料所取代。例如，波音787主要由碳纤维增强的聚合物复合材料制成（按重量计为50％，而在波音777中为12％）[1]。传统金属被具有更高比强度的复合材料所替代，铝合金的份额降至20％（在波音777中为50％）。
从根本上来说，生产和加工合金的新方法是产生新一代结构和功能金属材料所必需的。

工业金属合金即使在高冷却速率下也会凝固形成晶体结构。非晶态/玻璃态金属合金（或金属玻璃）（包括纯金属）的制备需要超高冷却速率，例如，当从气相将薄膜喷涂到冷却的基材上时[2]。将纯金属溅射成纳米级液滴不仅会导致较高的冷却速率，而且还会导致在纳米体积中出现晶相临界核的可能性较低[3]。

自上世纪60年代以来，通过在旋转的铜盘上以1 MK / s的速度快速冷却熔体，或通过压缩两个金属平面之间的熔体滴，已经获得了具有更高玻璃化趋势的合金，这种玻璃通常具有共晶成分，通常具有共晶成分。 4]。在这种情况下，金属合金在冷却时连续地呈玻璃态，并且在随后以足够高的加热速率加热时经历逆相变。

在上个世纪70年代，在3个空间尺寸中的每一个中，都获得了第一批尺寸约为1mm的非晶态钯合金的宏观铸件，这些铸件后来被称为块状金属玻璃[5]。在熔体进行助熔剂处理后的80年代获得了更多的大块样品，这使得抑制晶体的异质成核成为可能[6]，但是由于钯主要成分的成本过高，长期以来，科学家和工程师对它们并不特别感兴趣。

在90年代，在广泛使用的金属（镁，钛，铜，铁等）的基础上，获得了3个空间尺寸（图1）中每个尺寸都大于1毫米的块状金属玻璃（OMS）[7] 。双重，三重，四重和多组分合金。

图。1. OMS铸件样品（光学图像）。

对OMS可用信息的统计分析表明，它们的玻璃形成能力从双合金增加到了三重和四重合金。同样，当分析以临界OMC直径形式存在的具有已知玻璃形成能力的95种三元合金的数据库（未考虑经过焊剂处理的合金）时，在OMC组成的分布中发现统计规律（图2）。）[8]。临界直径的局部最大值位于组合物A70B20C10，A65B25C10，A65B20C15，A56B32C12，A55B28C17，A44B43C13和A44B38C18附近，局部最小值位于组合物A75B20C5，A75B15C10，A60B35C5，A55B35C15，A55B35C15处。这表明OMC的组成规律和原子比的非随机性。合金A50B25C25对应于化合物A2BC，合金A60B35C5对应于化合物A3（B + C）2，并且A75B20C5和A75B15C10接近拟双化合物A3（B + C）。

图。2.通过对三元合金的任意数据集（来自文学来源的95分）进行平滑处理而构成的临界直径（非晶态铸件的最大直径）的表面。

玻璃的原子结构表明原子排列中没有远距离有序（图3））确定其性能，尤其是机械性能。就强度和比强度而言，由于不可能使用位错或孪晶型的适应性变形机制，它们大大超过了相应的结晶合金。对于OMC，基于Cu，Ti和Zr的OMC的条件屈服应力达到〜2 GPa，基于Ni的〜3 GPa，基于Fe的〜4 GPa，基于Fe和Co的〜5 GPa，对于钴合金达到6 GPa。金属玻璃的结构还提供高达2％的弹性变形，这与高屈服强度相结合会导致较大的弹性变形储能值（指标γy2/ E和σy2/ρE，其中σy，ρ和是屈服强度，密度和杨氏模量，分别）。应当指出，最近的研究表明OMS中存在原子团簇[9]。

. 3. (SAED) (NBD). . . ( , , .. .. ).

OMS不仅具有高强度，硬度，耐磨性和在塑性变形发生之前的较大弹性变形值，而且还具有很高的耐腐蚀性，包括在某些溶液中的自发钝化。 OMC的高硬度，耐磨性，表面质量以及加热过程中的流动性决定了它们在微型机械中用作传动机构（齿轮），高精度机械系统的组成部分的用途。基于饱和磁化强度高达1.5 T的铁和钴的OMS具有低于1 A / m的低矫顽力值，并被积极用作软磁材料。应当指出的是，在俄罗斯，以铁和钴为基础的金属科学家参与了A.M.格莱泽（S.D.） Kaloshkin和许多其他人。

在从液体到玻璃的转变以及加热时失透期间观察到的玻璃转变现象是固态物理学中最重要的问题之一，尚未完全解决。即，仅在不同温度下观察到非晶相和液相是同一相，还是从液相到非晶态发生相变，反之亦然？如果是的话，这是什么样的相变？使用计算机仿真已经取得了一些成功，但是仍然没有完全清楚。

长期以来，尚不清楚“超流体”金属的这种特性从何而来：“脆性”：其粘度对温度的依赖性与阿累尼乌斯定律有很大偏差，而高于液相线温度（T1）的平衡液体的粘度遵循该定律。作者和同事没有显示出通过同步加速器辐射进行的原位X射线衍射，表明Pd42.5Cu30Ni7.5P20合金是在原子结构中活跃形成的，该原子结构靠近与P共价结合的金属簇的玻璃化转变温度，这与冷却时液体粘度的温度依赖性有关[10]。熔化，如图所示。 4。注意，当冷却至Tg时，液体的粘度变化10个数量级。

. 4. () Ni,Cu-P (P1/P2) Tg, Tg Tl. . Tg: 0.7 ( ), Tg/=1 ( ), .

当被加热到结晶前的过冷液体区域时（高于Tg，但低于Tx-过冷液体的结晶温度[11,12]），OMC会完美且均匀地发生塑性变形，并且可以用作模具的模型（图5）。

用合金的低成本成分进行金属成形的传统方法通常需要源块的昂贵加工步骤来获得最终产品。这导致大量的废料。在OMS的情况下，通过快速加热到过冷液体的区域，可以像在超塑成型中那样在一个阶段中获得具有高表面质量的产品。但是，由于不存在晶界，由于其极高的表面质量，OMS将比超塑性合金更适合于微物体。

图。5。微成型后的OMS表面在过冷液体区域。

然而，玻璃合金广泛使用的主要障碍之一是其在室温下的延展性有限[13]。在一个剪切带形成过程中，在宏观塑性变形发生之前，许多OMS被破坏了。

这是由于样品在局部剪切变形带（10-20 nm厚的带，其中材料在高局部应力的作用下开始流动）中的软化以及在这些带中变形的进一步局部化（与晶体合金相反，其中应变硬化导致在多个滑带中变形更均匀。但是，如果出现几个剪切带，它们具有交替的变形局部（图6），直到某一点，样品会发生宏观上均匀的变形，这对于获得更多的塑料OMC来说是优选的[14]。在这方面，对OMC中剪切带的成核和传播过程的研究引起了极大的兴趣。作为成分改进的结果，Zr61Ti2Cu25Al12 [15]和Pd79Ag3.5P6Si9.5Ge2 OMS [16]以及在结构弛豫期间不脆的过共晶合金获得了创纪录的100 MPa√m的高断裂韧性值。由于高密度和低密度原子团簇的热膨胀系数不同，最近提出的在液氮中进行循环处理的方法导致金属玻璃的“复兴”（转变为增加的能量状态）及其可塑性[18]。低温保温法被用来改变铁基合金的磁性[19]。

. 6. () . .

如今，两相材料（复合材料）变得越来越普及，因为它们能够以最佳比例组合所需的一组操作性能。 MHI具有独特的高强度指标，但通常缺乏延展性，尤其是在张力方面。结晶合金具有高延展性，聚合材料也具有低密度。因此，基于金属玻璃和晶体（或聚合物）的新型轻质且耐用的两相材料的创建有助于解决与改善机械结构材料相关的问题，即改善结构。获得具有独特高比强度和延展性的材料。NUST MISiS在有色金属部5-100项目的框架内，与复合材料中心合作，开发了轻金属两相材料，例如金属玻璃/晶体，结合了基于Ti或Mg的块状金属玻璃合金的强度以及高结晶相的延展性。二十]（图。7）。

图。7。高分辨率透射电子显微镜（两个区域）的图像和选定区域的亚显微尺寸衍射图（从晶相可见亮点，从非晶态可见光晕）。

有希望的材料是最近与ICM部门合作获得的纳米结构金属玻璃（图8），可用作医学材料（高耐腐蚀性和良好的细胞粘附性）和催化材料（发达的表面）[21]。

图。8。Zr-Pd纳米结构金属玻璃（SEM）的表面作为从样品获得的X射线光谱的插入物。

最近显示出，在Ni-Nb OMC的表面上形成的均相非晶氧化物具有非晶结构，而没有晶体固有的晶界形式的缺陷，电流泄漏可以通过该缺陷。它们表现出半导体特性，退火后其电导率从电子到空穴变化[22]。该材料对应于具有非常低的反向电流的肖特基二极管，其电导率可以通过在氧气中退火来控制（图9）。

图。9。OMC Ni-Nb表面的天然非晶氧化物的伏安特性（蓝色曲线）和在300 C退火期间生长的氧化物的伏安特性（红色曲线）。

总之，应该指出，半个世纪的历史以来，金属玻璃仍是研究其非同寻常的特性和结构的重要兴趣，而双相玻璃晶体材料在成本稍高的领域中有望作为高强度结构材料的实际应用。材料没有多大关系。当然，即使成分便宜，OMC和两相材料也不会在建筑和重型工程中替代结构钢或铝合金。但是，它们以及诸如玻璃晶体之类的两相材料已经在某些领域中获得了广泛的应用，它们在某些领域优于竞争对手：医学上的矫形螺钉（生物相容性），微机械（可成形性，耐磨性），运动器材（柔韧性，强度，大量存储的弹性能量（图10）），压力传感器（柔韧性而不会永久变形），微戳（成型性，耐磨性）等。这些材料可以导致革命性技术的发明，有可能排挤传统用于创新应用的金属加工。

图。10 此示例说明了当晶锭从管中的某个高度下降到砧座时，OMC具有很高的存储弹性变形能量的能力。

文学来源

1. www.boeing.com/commercial/787family/programfacts.html; K. Lu, The Future of Metals, Science 328, 319 (2010).
2. W. Buckel, R. Hilsch Z. Phys. 138, (1954) 109-120.
3. Y. W. Kim, H. M. Lin & T. F. Kelly Acta Metall. 37 (1989), 247–255.
4. W. Klement, R. H. Willens and P. Duwez Nature.187, (1967) 869.
5. H. S. Chen, Acta Metall. 22, (1974) 1505
6. H. W. Kui, A. L. Greer and D. Turnbull Appl. Phys. Lett. 45 (1982) 716.
7. D.V. Louzguine-Luzgin, A. Inoue, “Bulk Metallic Glasses. Formation, Structure, Properties, and Applications” Handbook of Magnetic Materials, Edited by K.H.J. Buschow, Elsevier 21, 2013, 131-171.
8. D. V. Louzguine-Luzgin, D. B. Miracle, L. Louzguina-Luzgina, and A. Inoue, Journal of Applied Physics, 108, (2010) 103511.
9. A. I. Oreshkin, N. S. Maslova, V. N. Mantsevich, S. I. Oreshkin, S. V. Savinov, V. I. Panov, D. V. Louzguine-Luzgin, JETP Letters, 94, (2011) 58-62.
10. D. V. Louzguine-Luzgin, R. Belosludov, A. R. Yavari, K. Georgarakis, G. Vaughan, Y. Kawazoe, T. Egami and A. Inoue. J. Appl. Phys. 110, (2011) 043519.
11. .. , .. , .. , 94, (2002), 1-6.
12. S.D Kaloshkin., I.A. Tomilin., Thermochimica Acta, 280/281, (1996), 303-317.
13. M.F. Ashby, A.L. Greer, Scripta Mater. 54 (2006) 321.
14. D.V. Louzguine-Luzgin, V.Yu Zadorozhnyy, N. Chen, S.V. Ketov, Journal of Non-Crystalline Solids. 396–397 (2014) 20–24.
15. Q. He, Y.-Q. Cheng, E. Ma, J. Xu, Acta Materialia 59, (2011), 202–215.
16. M. D. Demetriou, M. E. Launey, G. Garrett, P. J. Schramm, D. C. Hofmann, W. L. Johnson, &, R. O. Ritchie, Nature Materials, 10, (2011) 123.
17. M. Aljerf, K. Georgarakis, A. R. Yavari, Acta Materialia, 59 (2011) 3817-3824.
18. S. V. Ketov, Y. H. Sun, S. Nachum, Z. Lu, A. Checchi, A. R. Beraldin, H. Y. Bai, W. H. Wang, D. V. Louzguine-Luzgin, M. A. Carpenter & A. L. Greer, Nature, 524, (2015) 200–203.
19. S. G. Zaichenko, N. S. Perov, and A. M. Glezer, Journal of ASTM International, 7, (2010) 1102479.
20. A. A. Tsarkov, A. Yu. Churyumov, V. Yu. Zadorozhnyy and D. V. Louzguine-Luzgin, J. Alloys and Comp. in press.
21. S. V. Ketov, X.T. Shi, G.Q. Xie, R. Kumashiro, A. Yu. Churyumov, A. I. Bazlov, N. Chen, Y. Ishikawa, N. Asao, H.K. Wu and D. V. Louzguine-Luzgin, Scientific Reports, Vol. 5, (2015) 7799.
22. A. S. Trifonov, A. V. Lubenchenko, V. I. Polkin, A. B. Pavolotsky, S. V. Ketov and D. V. Louzguine-Luzgin, Journal of Applied Physics 117, (2015) 125704.

专家观点：金属眼镜的未来

More articles: