科學家用材料基因工程方法發現高溫非晶合金

最新 05-09

在合金材料中，非晶合金（又稱金屬玻璃）是一類新型的多組元合金。它們有獨特的無序原子結構、優異的力學和物理化學特性，吸引了材料科學和凝聚態物理等多個領域的關注。非晶合金既可以具有高達6.0 GPa、比普通鋼材高出15倍的強度（如Co基非晶合金），又可以像塑料一樣進行超塑性加工。非晶合金的多組元特點提供了海量的元素配比，使得性能調控可以在極寬的成分範圍實現，為非晶合金提供了廣闊的應用場景。例如，軟磁性能優異的鐵基非晶合金已經廣泛應用於變壓器、高速電機等高附加值產品。然而，非晶合金的元素多樣性所帶來的成分複雜程度也嚴重阻礙了高性能新材料的設計和有效開發。60年來，全世界近百個研究組僅獲得十多個可以大規模應用的非晶合金成分，大量具有特殊性能的非晶合金材料還沒有被發現。

對非晶合金而言，最重要、最基本的參量是非晶形成能力，因為它直接決定了某種合金成分能形成多大尺寸的完全非晶態材料並表現出非晶合金特有的性能。探索非晶形成能力強的合金體系一直是非晶合金領域的核心科學問題，關係到非晶合金工程應用的關鍵技術難題。但是非晶合金的形成過程涉及物理、化學、材料等多學科交叉基礎問題和多體相互作用，其複雜性使得現有的理論和計算模擬尚不能精確預測合金成分。多年來，非晶合金的開發始終停留在傳統的「試錯法」階段，探索過程低效、漫長，致使非晶合金的材料創新面臨重大挑戰和瓶頸。

材料基因工程是近年來以加速材料研究和材料探索為主要目標的新理念，其中的高通量實驗是在海量樣品中直接優選新材料、獲取實驗大數據的基本手段。在高通量實驗中，組合製備能夠實現系列樣品的平行合成，結合結構和性能的高通量表徵，材料基因工程可在短時間內篩選出具有預期特性的新材料，大幅提高新材料研發的效率。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心柳延輝、汪衛華研究組和美國耶魯大學、約翰霍普金斯大學、日本東北大學組成合作團隊，採用材料基因工程理念開發了獨特的高通量實驗方法，在高性能非晶合金的成分設計和探索中取得突破，實現了非晶合金的快速篩選，研製出高溫高強非晶合金材料新體系。高通量實驗方法在非晶合金領域創造性的應用，有望突破成分多樣性和複雜性造成的非晶合金材料探索所遇到的瓶頸，解決非晶合金的形成能力問題，實現非晶合金新材料的高效探索，獲得更多高性能非晶合金材料，拓寬非晶合金在高技術領域的應用範圍。

該團隊充分利用已知的經驗準則和物理量關聯關係，設計了一個全新的、有可能具有強的非晶形成能力的Ir-Ni-Ta-(B)材料體系。但是，這些元素配比的排列組合千變萬化，很難預測哪些具體成分有更強的非晶形成能力，用傳統的「試錯法」進行實驗驗證又耗時耗力。採用材料基因工程的思路，柳延輝、汪衛華團隊用多靶磁控濺射共沉積技術製備出同時含有上千種合金成分的組合樣品，通過高通量結構表徵初步確定了非晶形成成分範圍。利用非晶合金的電阻率和非晶形成能力的關聯，該團隊進一步提出了用以判斷非晶形成能力的高通量電阻測量方法，在Ir-Ni-Ta-(B)合金體系中確定了最佳的非晶形成成分範圍，並獲得了具有優異綜合性能的高溫塊體非晶合金。

和以往的高通量實驗方法相比，該團隊提出的新方法具有高效性、無損性、易推廣等特點。該方法不需要對組合樣品進行任何預處理或後續處理，測試周期短，1-2小時即可在成千上萬種合金中確定最佳的非晶形成成分範圍；所用的測量和表徵手段不會造成組合樣品的損傷，在同一成分點可對多個物理參量進行測量，在建立物理參量的關聯關係時能夠確保精度；高通量電阻測量設備價格低廉，能被廣大實驗室接受，有利於更多研究團隊開展高通量實驗工作。

非晶合金是亞穩態金屬材料，在一定的溫度下會發生老化或轉變為晶態合金，喪失非晶態的優異性能。因此，非晶合金的服役溫度需要在其玻璃轉變溫度之下。目前，絕大部分非晶合金的使役溫度在300℃左右，這導致其應用在很多領域受限。該團隊採用材料基因工程理念研發的Ir-Ni-Ta-(B)非晶合金在高溫力學性能、熱穩定性、加工成型性能、耐蝕性、抗氧化等方面表現出前所未有的綜合優勢。Ir-Ni-Ta-(B)非晶合金的玻璃轉變溫度超過800℃，比目前工程應用最為廣泛的鋯基非晶合金高出400℃。在常溫下，Ir-Ni-Ta-(B)非晶合金的強度約為5.1 GPa，是普通鋼材的10倍以上，即使在超過700℃的高溫條件下，Ir-Ni-Ta-(B)非晶合金仍能保持3.7 GPa的強度，遠遠超過傳統的高溫合金和高熵合金的強度。

除了高溫強度，Ir-Ni-Ta-(B)高溫非晶合金還表現出優異的熱穩定性，在玻璃轉變溫度以上具有超塑性，可通過超塑性成型工藝被加工成各種形狀的高精密零部件。此外，Ir-Ni-Ta-(B)非晶合金還具備耐蝕和抗氧化的特點，可在王水中浸泡數月而不被腐蝕，在高溫環境中也難以被氧化，說明用這些新型非晶合金製成的零部件不僅能在高溫條件下服役，而且能在惡劣環境中使用。Ir-Ni-Ta-(B)高溫非晶合金展現出的綜合性能打破了非晶合金只能在常規環境中使用的限制，為設計開發新型高溫材料提供了新的視角。

非晶合金自被發現以來由於其高性能而在能源、通訊、航天、國防等高技術領域得到廣泛應用，被認為是繼鋼鐵、塑料之後的新一代工程材料。該團隊發展的高通量實驗方法顛覆了非晶合金領域60年來「炒菜式」的材料研發模式，證實了材料基因工程在新材料研發中的有效性，為解決非晶合金新材料探索效率低的難題開闢了新的途徑，同時也為新型高溫、高性能合金材料的設計提供了新的思路。相信在不久的將來，更多、性能更優異的非晶合金材料將不斷湧現出來。

相關研究結果最近發表在《自然》（Nature）上。