非晶合金能否长时间保持稳定?非晶材料稳定性的物理机制和根源是什么?这些都是非晶合金材料和物理领域长期关注的重要难题。众所周知,非晶态物质的无序原子排列结构特征,导致其相比晶体材料具有更高的自由能,在能量上处于亚稳态。
不同种类的非晶态物质会呈现出截然不同的稳定性,如火山玻璃和琥珀可以在恶劣的物理、化学环境中稳定存在数亿年;而非晶合金则表现出相对较差的热稳定性,如第一个被发现的Au-Si非晶合金在室温下3小时后就开始发生晶化,24小时后样品完全晶化。差的热稳定性会使非晶合金在弛豫或老化过程中物理和力学性能发生恶化,从而限制非晶合金的长时间服役和大规模应用。因此,非晶合金的稳定性和温度密切相关,温度越高稳定性越低。
研究非晶合金的长时间稳定性,最有效的手段就是考察其玻璃转变温度(Tg)附近的长期稳定性。但是,由于通常的非晶合金均具有较高的Tg, 使得在实验室中年累月的超长时间高温退火实验将变得十分困难,甚至不可能。但是,如果寻找到一种非晶合金材料,其Tg在室温附近,就可以利用自然时效(即室温退火,room temperature aging)来研究其长时间的稳定性。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心汪卫华团队张博等人曾于2005年开发出了Ce-基大块非晶合金(图1),由于其拥有较低的玻璃化转变温度(Tg ~ 67℃),在开水中就可以进行塑性加工,因此,Ce-基非晶合金又被称为“金属塑料”。低Tg点的特性使得Ce-基金属塑料成为研究非晶合金超长时间稳定性的理想材料体系。
中科院物理所和松山湖材料实验室研究了Ce-基金属塑料在0.85Tg下长达17.7年的超长室温老化样品的稳定性问题,实验发现超长时间高温老化后的Ce-基非晶合金样品依旧保持着完美的非晶态,表现出极强的抗晶化能力,打破了传统对非晶合金稳定性差的认识。
相关结果以“Ultrastable metallic glass by room temperature aging”为题发表在Science Advances期刊上。中科院物理所和松山湖材料实验室联合培养博士后赵勇为论文的第一作者,中科院物理所白海洋研究员和松山湖材料实验室张博研究员、柯海波研究员为论文的共同通讯作者。