Hurtig overfladedynamik muliggjorde kold sammenføjning af metalliske glas

Materialeforskere og ingeniører sigter mod at designe og udvikle bulk metalliske glas (BMG'er) med fremragende egenskaber. Den største tekniske udfordring er at skalere deres størrelse op og forbedre materialeegenskaberne i laboratoriet. Skriver nu videre Videnskabens fremskridt , Jiang Ma og et team af tværfaglige forskere adresserede problemet ved at samarbejde på tværs af afdelingerne for Micro/Nano Optomechatronic Engineering, Maskiningeniør, Computational Science Research og Institutes of Mechanics and Physics. De demonstrerede en ny metode til at syntetisere BMG'er (metalliske bulkglas) og metalliske glas-glas-kompositter ved hjælp af metalliske glasbånd. Ved hjælp af ultralydsvibrationer, de aktiverede fuldt ud spændingsrelaksationen i atomskala i det ultratynde overfladelag for at accelerere atombinding mellem bånd ved lav temperatur; langt under glasovergangspunktet. Den nye tilgang overvandt størrelsen og sammensætningsgrænserne forbundet med konventionelle metoder for at lette hurtig binding af metalliske glas med forskellige fysiske egenskaber uden krystallisering. Forskningsarbejdet åbner et nyt vindue til at syntetisere BMG'er med udvidet sammensætning for at muliggøre opdagelsen af ​​multifunktionelle glas-glas-kompositter, der hidtil har været urapporterede.

Glas er et uundværligt materiale gennem menneskehedens historie, spiller en praktisk rolle i videnskabelig forskning og dagligdag. Naturlige eller menneskeskabte varianter af glas finder ekstreme anvendelser i optik, bioteknologi, medicin og elektronik. Bulk metalliske glas er et godt modelmateriale til undersøgelse af strukturen og egenskaberne af tætte tilfældige pakningsglas, har tiltrukket sig stor opmærksomhed siden deres opdagelse. Materialerne er meget lovende i fremtidige applikationer til udvikling af sportsartikler, biomedicinsk udstyr og elektronisk udstyr på grund af deres høje elasticitetsgrænse og fremragende slid-/strålingsbestandighed.

Imidlertid, krystallisationshastighederne af de kendte glasdannende metalliske væsker forbliver størrelsesordener højere end almindelige glasdannende materialer såsom polymerer, silikater eller molekylære væsker. Som resultat, glasformningsevnen (GFA) er fortsat et langvarigt problem for grundforskning, samtidig med at der introduceres en flaskehals for potentielle anvendelser af BMG'er. Superior GFA findes kun i et begrænset antal systemer på nuværende tidspunkt til at danne bly (Pd), zirconium (Zr) og titanium (Ti)-baserede BMG'er. Forskere har tidligere gjort en betydelig indsats for at forstå og forbedre GFA af BMG'er for at overvinde eksisterende grænser ved at inkorporere termodynamik, gnist plasma sintring, termoplastiske sammenføjningsmetoder og for nylig kunstig intelligens-guidet high-throughput komponentvalg.

Forskere har opdaget, at overflademobiliteten af ​​amorfe materialer (materialer uden nogen påviselig krystalstruktur) er meget hurtigere end i bulk ved at studere en række forskellige materialer. Der findes også stærke beviser for at udvide hurtig overfladedynamik fra monoatomiske lag til nanometerskalaen for at danne amorfe materialer. Mens tidligere arbejde tyder på, at hurtig overflade-atomdynamik kan forbinde metalliske glas af forskellige typer, blot at berøre to metalliske glasoverflader ved lave temperaturer letter ikke umiddelbart dannelsen af ​​metallisk binding. For at forbinde metalliske glas ved at accelerere overfladens atommobilitet, man skal lægge tryk på og hæve temperaturen. I nærværende arbejde, Ma et al. dramatisk accelereret overflademobiliteten for at skabe ultrahurtig metallisk binding under ultralydsvibrationer ved stuetemperatur. De overvandt grænsen for glasdannelsesevne (GFA) til at syntetisere BMG'er (metalliske bulkglas) og danne metalliske glaskompositter (GGC'er), som ikke er blevet rapporteret indtil videre.

For at udforske aktiveringsenergien ved den metalliske glasoverflade og ved bulken, forskerne anvendte simuleringer af molekylær dynamik (MD) kombineret med aktiverings-afslapningsteknik nouveau (ARTn). Fysisk, aktiveringsenergien er relateret til den energi, der kræves for at udløse lokal hop mellem tilstødende delbassiner på det potentielle energilandskab. For statistisk at analysere aktiveringsenergifordelingsprofilerne ved overfladen af ​​et metallisk glas, forskerholdet opdelte prøvemodellen i forskellige lag fire Ångstrøm (Å) i tykkelse parallelt med overfladen. Det faktiske overfladelag udviste ekstraordinært lave energier (ca. 0,05 eV) for at opføre sig i en eksponentielt henfaldende tilstand for at antyde, at aktiveringsenergien i bulkregionen var forskellig fra overfladen.

For yderligere at forstå aktivering af metallisk glasoverflade, forskerne undersøgte overflademobiliteten af ​​en model zirconium (Zr)-baseret metallisk glasfilm ved at kortlægge dens viskoelastiske tabstangens (dimensionsløs måling af et materiale) ved hjælp af dynamisk scanning probe mikroskopi (DSPM). Under cyklisk mekanisk omrøring, nogle overfladeatomer i lokale pletter var stærkt aktiverede for at sprede mekanisk energi, mens andre ikke gjorde det. Kortlægningsresultaterne understøttede stærkt synspunktet om, at overfladeatomer i metalliske glas bibeholdt hurtig mobilitet. Ma et al. Forvent derfor, at en hurtig bindingsproces aktiveres effektivt i nærvær af en passende høj kørefrekvens.

For at lette en høj kørselsfrekvens-induceret hurtig bindingsproces, forskerne udførte ultralydsvibrationer på smuldrede BMG-bånd. For det, de placerede prøverne af metallisk glasbånd i en bundplade med et hulrum lavet af cementeret carbid og påførte et lavt forspændingstryk (~ 12 MPa) for at klemme båndene tæt. De anvendte derefter sonotroden (en akustisk boremaskine) med en frekvens på 20, 000 Hz. Holdet brugte tre forskellige typiske legeringssystemer, herunder lanthan (La)-baserede, bly (Pb)-baseret, og zirconium (Zr)-baserede metalliske glasbåndprøver, tidligere fremstillet ved anvendelse af konventionelle smeltespundne processer.

Ved hjælp af en specifikt designet eksperimentel opsætning, de samlede båndene sammen i en masseprøve under konstant ultralydsvibration i mindre end to sekunder. Ma et al. konstruerede bulk Zr-baserede stænger ved hjælp af båndråmateriale, inklusive La-baserede og Pd-baserede bulkstænger ved brug af samme proces. Imidlertid, hvis forskerne havde krystalliseret båndprøverne før ultralydsvibration, de ville ikke have observeret en "bindende" effekt, resulterer i stedet i ødelagte kuld. Især den unikke amorfe natur var nøglen til båndsammenføjning for at danne BMG'er som ikke-krystallinske prøver, der forblev amorfe under højfrekvente ultralydsvibrationer. De ultralydsfremstillede BMG'er var tætte som støbte prøver og viste lave porøsiteter. De foreløbige resultater af den nye tilgang lover at udvikle metalliske glas af en bulkstørrelse.

Inspireret af de første resultater, Ma et al. konstrueret BMG'er med flere amorfe faser og komponenter ved hjælp af højfrekvente vibrationer og skabt flerfasede BMG'er, der kombinerer forskellige typer bånd. For at opnå dette, de skærer metalliske glasbånd af forskellige systemer i stykker, blandede dem i et formhulrum og opnåede bulkprøver ved hjælp af ultralydsvibrationer for at forbinde båndene sammen i en bulk.

Forskerholdet brugte røntgendiffraktionsmønstre til at demonstrere, at både enkelt- og flerfasede BMG'er beholdt deres amorfe strukturer. Forskerne undersøgte også mikroskala- og atomstrukturerne af BMG'er ved hjælp af højopløsningstransmissionselektronmikroskopi (HRTEM) for at bekræfte tilstedeværelsen af ​​forskellige amorfe strukturer af forskellige faser. For at studere elementalfordelingen på tværs af grænsefladen, de brugte energidispersiv spektroskopi (EDS) og noterede et niveau af sammenblanding gennem diffusion. Derefter, ved hjælp af molekylær dynamik (MD) simuleringer, Ma et al. afslørede den atomare oprindelse af ultralydsaktiveret hurtig binding og bemærkede, at overfladeatomers mobilitet adskiller sig drastisk fra den i hovedparten; hvilket er typisk for amorfe materialer.

På denne måde Jiang Ma og kolleger demonstrerede en ultralydsaktiveret sammenføjningstilgang til at syntetisere bulk-størrelse metalliske glas ved at bruge enkelte eller flere amorfe faser. Processen var grundlæggende relateret til den ultrahurtige mobilitet af metalliske briller. Den nye metode tillader design af flere faser og mikrostrukturer. Forskningsresultaterne vil etablere en ny og fleksibel proces til at designe og konstruere nye metalliske glassystemer, at udvide anvendelsen af ​​amorfe materialer i høj grad.

© 2019 Science X Network