[論文レビュー] Ultrastrong and Ultrastable Metallic Glass

Daisman P. B. Aji, Akihiko Hirata+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2013

Laser Material Processing TechniquesEngineering参考文献 1被引用数 20

ひとこと要約

本論文は、高温でのゆっくりとした堆積によって、超強靭で超安定な金属ガラスが達成可能であることを示している。この方法により、熱的安定性と機械的性質が向上する。得られた超安定ガラスは、結晶化温度が203 K上昇し、従来の金属ガラスと比較して強度と硬度が30%以上高い。これは、原子構造に豊富な中距離秩序（MRO）に起因する。

ABSTRACT

The lack of thermal stability, originating from their metastable nature, has been one of the paramount obstacles that hinder the wide range of applications of metallic glasses. We report that the stability of a metallic glass can be dramatically improved by slow deposition at high temperatures. The glass transition and crystallization temperatures of the ultrastable metallic glass can be increased by 51 K and 203 K, respectively, from its ordinary glass state. The ultrastable metallic glass also shows ultrahigh strength and hardness, over 30 % higher than its ordinary counterpart. Atomic structure characterization reveals that the exceptional properties of the ultrastable glass are associated with abundance of medium range order. The finding of the ultrastable metallic glass sheds light on atomic mechanisms of metallic glass formation and has important impact on the technological applications of metallic glasses.

研究の動機と目的

• 金属ガラスの熱的安定性が低いことが実用的応用を制限するため、これを克服すること。
• 制御された堆積条件が金属ガラスの運動的および熱力学的安定性を向上させることを調査すること。
• 中距離秩序のような構造的特徴と、強化された機械的・熱的性質との相関関係を明らかにすること。
• 高度な工学的応用に適した、優れた安定性と強度を有する金属ガラスを製造するための手法を開発すること。

提案手法

• 最大500 °Cの高温度基板を用いた磁控スパッタリング法による金属ガラス薄膜の堆積。
• 既知のガラス形成能に優れるZr-Cu-Ni-Al組成を用いて金属ガラスを形成した。
• 在位加熱型差熱走査量熱法（DSC）を用いて、ガラス転移温度および結晶化温度を測定した。
• 高分解能透過電子顕微鏡（HRTEM）および対分布関数（PDF）解析を用いて、原子構造を詳細に調査した。
• 通常堆積された金属ガラスと比較して、ゆっくり堆積された超安定ガラスの構造的および熱的性質を分析した。
• PDF解析を用いて中距離秩序（MRO）を分析し、構造的特徴と機械的性能との相関関係を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高温でのゆっくりとした堆積が、金属ガラスの熱的安定性を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 超安定金属ガラスの改善された安定性および強度の背後にある原子配列の構造的特徴は何か？
• RQ3 超安定金属ガラスと従来の金属ガラスとの間で、中距離秩序の度合いにどのような差が生じるか？
• RQ4 熱的安定性の向上が、機械的性質の向上とどの程度相関しているか？
• RQ5 堆積プロセスを最適化することで、超高強度かつ超安定な金属ガラスを製造できるか？

主な発見

• 超安定金属ガラスは、従来のガラスと比較してガラス転移温度が51 K上昇している。
• 超安定ガラスの結晶化温度は203 K上昇しており、顕著な熱的安定性の向上を示している。
• 超安定ガラスは、それと比較して30%以上の高い強度と硬度を示している。
• 原子構造解析により、超安定ガラスに顕著な中距離秩序（MRO）の豊富な存在が確認された。
• 向上した安定性および機械的性質は、自由体積の低減とガラス構造の安定化に起因するMROの増加と直接関連している。
• 本研究の結果は、制御された堆積キネティクスを用いることで、優れた性能を有する金属ガラスを設計可能であるという明確な道筋を示している。