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金屬玻璃的超快年輕化

作者:蔣敏強 2019-08-26 07:59 來源:
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  近日,中國科學院力学研究所蒋敏强研究員与国内外研究人员合作,在玻璃材料抗老化方面取得重要进展,首次在实验上实现了一种典型金属玻璃在超快时间尺度内结构的极端年轻化。相关成果以Ultrafast extreme rejuvenation of metallic glasses by shock compression”爲題,發表在Science Advances 5: eaaw6249 (2019) 

  亞穩態的玻璃材料具有向熱力學平衡態的自發老化(aging)趨勢,同時伴隨著材料性能的劣化。但是,通過外部能量輸入,老化的玻璃物質能夠重新實現結構的年輕化(rejuvenation)。這一反老化(anti-aging)過程一方面有助于對玻璃複雜動力學行爲的基本理解,另一方面也有利于玻璃材料的工程應用。近年來,針對具有廣泛應用前景的金屬玻璃材料,一系列基于非仿射變形的結構年輕化方法被提出,以期對材料的力學、物理性能進行有效調控。但是,之前所有的年輕化方法都工作在較低應力水平且需要足夠長的時間尺度,因此,具有很大的局限性。 

  研究人員基于輕氣炮裝置的雙靶板平板撞擊技術,實現了典型锆基金屬玻璃在約365納秒(人眨一次眼所需時間的百萬分之一)內快速年輕化到一種高焓極端無序狀態。該技術的挑戰性在于對金屬玻璃施加幾個GPa量級的單脈沖加載和瞬態自動卸載,從而避免剪切帶、層裂等材料動態失效;同時,通過控制飛片撞擊速度,可使金屬玻璃的快速年輕化“凍結”在不同水平。 

  研究人员从热力学、多尺度结构和声子动力学“玻色峰”三个角度,对金屬玻璃的超快年輕化过程进行了全面研究,揭示出玻璃结构年轻化源于纳米尺度团簇以“剪切转变”模式诱导的自由体积产生。基于这一物理机制,定义了一个无量纲Deborah數,解釋了金屬玻璃超快年輕化的時間尺度可能性。該工作使實現金屬玻璃結構年輕化的時間尺度提高了至少10個數量級,拓展了這類材料的應用領域,也加深了人們對玻璃超快動力學的認知。 

  中國科學院力学研究所和西安交通大学联合培養的博士生丁淦是論文第一作者,蒋敏强研究員为通讯作者,中國科學院物理研究所汪卫华院士为共同通讯作者。中國科學院力学研究所是論文第一单位。該項研究工作得到了國家優秀青年科學基金、國家自然科學基金重大項目、中科院青促會等資助。文章鏈接:https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw6249

 

金屬玻璃各類結構年輕化方法的比較:過剩弛豫焓與年輕化實現時間的關系 

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