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    我国学者利用高通量材料设计方法成功获取高温非晶合金

    日期 2019-05-16   来源:工程与材料科学部   作者:郑雁军 邓意达  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:51825104,11790291,61888102)等资助下,中国科学院物理研究所柳延辉研究员、汪卫华研究员团队和美国耶鲁大学、约翰霍普金斯大学、日本东北大学研究人员开展合作研究,采用材料基因工程理念实现了非晶合金的快速筛选,开发出高温高强非晶合金材料新体系。研究成果以“High-temperature Bulk Metallic Glasses Developed by Combinatorial Methods”(材料基因工程方法开发高温非晶合金)为题,于2019年05月02日在Nature(《自然》)上发表,论文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1145-z。

      非晶合金(又称金属玻璃)是一类新型的多组元合金。它们有独特的无序原子结构、优异的力学和物理化学特性,获得了材料科学和凝聚态物理等多个领域的关注。非晶合金的多组元特点提供了海量的元素配比,使得性能调控可以在极宽的成分范围实现。然而,非晶合金的成分复杂性也使高性能新材料的设计和开发变得困难,60多年来,非晶合金的开发始终停留在传统的“试错法”阶段,全世界近百个研究组仅获得十多个可以大规模应用的非晶合金成分,严重阻碍了非晶合金的创新与研发。

      近年来兴起的材料基因工程可以通过高通量实验实现系列样品的平行合成,结合高通量表征,在短时间内筛选出具有预期特性的新材料,大幅提高新材料研发的效率。将材料基因工程方法应用到非晶合金领域,有望突破成分多样性和复杂性造成的非晶合金新材料开发所遇到的瓶颈,获得更多高性能的非晶合金材料,进一步拓宽非晶合金在高技术领域的应用范围。

      最近柳延辉研究员、汪卫华研究员等的研究团队利用多靶磁控溅射共沉积技术制备出同时含有上千种合金成分的组合样品,利用非晶合金的电阻率和非晶形成能力的关联提出了一种新的高通量电阻测量方法,在Ir-Ni-Ta-(B)合金体系中确定了最佳的非晶形成成分范围,获得了具有优异综合性能的高温块体非晶合金。和以往的高通量实验方法相比,该团队提出的新方法测试周期短,1-2小时即可在成千上万种合金中确定最佳的非晶形成成分范围;所用的测量和表征手段不损伤组合样品,在同一成分点可对多个物理参量进行测量,在建立物理参量的关联关系时能够确保精度。采用材料基因工程理念研发的Ir-Ni-Ta-(B)非晶合金在高温力学性能、热稳定性、加工成型性能、耐蚀性、抗氧化等方面表现出前所未有的综合优势。Ir-Ni-Ta-(B)非晶合金的玻璃转变温度超过800 ºC,比目前工程应用最为广泛的锆基非晶合金高出400 ºC;在常温下强度约为5.1 GPa,是普通钢材的10倍以上,即使在超过700 ºC的高温条件下,仍能保持3.7 GPa的强度;同时Ir-Ni-Ta-(B)非晶合金在玻璃转变温度以上具有超塑性,可通过超塑性成型工艺被加工成各种形状的高精密零部件。此外,Ir-Ni-Ta-(B)非晶合金还具备耐蚀和抗氧化的特点。该高通量实验方法颠覆了非晶合金领域60年来“炒菜式”的材料研发模式,为解决非晶合金新材料探索效率低的难题开辟了新的途径,同时也为新型高温、高性能合金材料的设计提供了新的思路。

    图. Ir-Ni-Ta-(B)高温非晶合金的设计以及高通量实验方法。该方法一次可实现1000个成分点以上的快速制备和表征,比传统非晶合金探索方法效率高1000倍以上




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