最近，中科院物理研究所柳延輝老師課題組發(fā)表在nature上的一篇文章昭示這一奇觀有望實現(xiàn)，該文章報道了柳老師課題組新研發(fā)的一種金屬玻璃：Ir–Ni–Ta–(B)，該材料在 727℃ 的高溫下仍具有 3.7 千兆帕的高強度。

除了強度高，Ir–Ni–Ta–(B) 金屬玻璃還具有很高的耐腐蝕性。材料的耐腐蝕性往往和抗氧化性有一定關(guān)系，因此研究人員利用飛納電鏡，對金屬玻璃高溫下的抗氧化性進行了測試。

通過背散射圖像的成分襯度和能譜測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在 1000K 的高溫下，氧化 60 分鐘后，氧化層深度不到 0.01 毫米，并且表面光滑，無明顯腐蝕坑。

飛納電鏡對金屬玻璃抗氧化性形貌特征和能譜成分分析結(jié)果

Question 1：好學的小伙伴不禁要問，什么是金屬玻璃？

在介紹金屬玻璃之前，要先了解固體材料原子的排列方式。

將固體材料的原子想像成一顆顆的彈珠，彈珠規(guī)則排列的材料稱為晶體，不規(guī)則排列則稱為非晶體。一般來說，金屬材料都是晶體結(jié)構(gòu)，而常見的非晶材料有玻璃、瑪瑙等。

透射電子顯微鏡觀察到微觀結(jié)構(gòu)
（a 為非晶體結(jié)構(gòu)，b 為晶體結(jié)構(gòu)）

金屬玻璃又稱非晶態(tài)合金，他的成分是金屬元素，但原子的排列長程無序，具有非晶體的結(jié)構(gòu)特征。它既有金屬和玻璃的優(yōu)點，又克服了它們各自的弊病。

金屬玻璃的強度遠高于鋼，且具有一定的韌性和剛性，同時具有耐腐蝕、耐摩擦等性能。

Question 2：那么，怎樣使金屬變成 “玻璃” 呢？

一般來說，金屬在冷卻時會結(jié)晶，原子會排列成有規(guī)則的圖案，稱之為晶格。但如果結(jié)晶不出現(xiàn)，原子隨機排列，則形成金屬玻璃。

方法：將金屬高溫熔化后，以極快的速度冷卻，使金屬原子來不及按常規(guī)編排結(jié)晶，原子還處于不整齊、雜亂無章的狀態(tài)便被 “凍結(jié)” 了，因此，出現(xiàn)了類似玻璃的微觀結(jié)構(gòu)。

Question 3：柳老師制備的金屬玻璃到底有多厲害呢？

幾乎所有的金屬都可通過快速凝固的方式成為金屬玻璃，但要開發(fā)一種制備簡單，性能優(yōu)良的金屬玻璃并不容易。

金屬玻璃的機械性能主要取決于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，在接近玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，強度會顯著降低。因此，老師希望金屬玻璃擁有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

盡管已經(jīng)有人開發(fā)出玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大于 1000K (727℃) 的金屬玻璃，但過冷液體區(qū)域（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶溫度之間）很窄，導致金屬成形性較差，限制了其實際應(yīng)用。

Ir–Ni–Ta–(B) 金屬玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)高達 1162 K，且過冷液體區(qū)域為 136 K，比目前大多數(shù)金屬玻璃的都寬。這意味著在高溫或惡劣環(huán)境下應(yīng)用的小型部件可以很容易地通過熱塑性成形獲得。

過冷液體區(qū)域與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及各種合金的高溫強度

自1960 年以來，研究人員已開發(fā)出基于各種元素的金屬玻璃。然而，非晶合金是典型的多組元合金材料，形成過程極其復(fù)雜，多個組元構(gòu)成的成分空間十分龐大。

“一次實驗，一個樣品” 的材料研究方法不僅導致新材料探索效率低，所獲得的實驗數(shù)據(jù)也缺乏系統(tǒng)性，使得人們難以全面把握非晶合金形成的主要規(guī)律和性能調(diào)控機制。

為了鑒定感興趣的合金，柳老師課題組根據(jù)先前報道的玻璃形成能力與電阻率之間的關(guān)聯(lián)性，提出了一種簡化的組合方法。

這種方法是無損的，允許隨后對同一樣本庫中的一系列物理屬性進行檢測。該研究的發(fā)現(xiàn)與設(shè)計和方法的實用性為高強度、高溫、大塊的其他具有高性能的玻璃合金的研究提供了理論的可能和方法的支持。

Ir–Ni–Ta–(B) 塊狀金屬玻璃的高通量表征

最后，秀一下柳老師與飛納電鏡的合影，期待柳老師更多科研成果。