[论文解读] Ultrastrong and Ultrastable Metallic Glass
本论文表明，通过在高温下缓慢沉积，可实现超强度和超稳定的金属玻璃，从而提高热稳定性和力学性能。所得的超稳定玻璃其结晶温度提高了203 K，强度和硬度比传统金属玻璃高出30%以上，这归因于其原子结构中丰富的中程有序结构。
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.
研究动机与目标
- 为克服金属玻璃热稳定性有限的问题，从而限制其实际应用。
- 研究受控沉积条件是否能够提高金属玻璃的动力学和热力学稳定性。
- 将结构特征（如中程有序）与增强的力学和热学性能相关联。
- 开发一种制备具有优异稳定性和强度的金属玻璃的方法，以满足先进工程应用的需求。
提出的方法
- 采用磁控溅射法在高温基底温度（最高达500 °C）和低沉积速率下制备金属玻璃薄膜。
- 选用Zr-Cu-Ni-Al成分形成金属玻璃，因其已知具有良好的玻璃形成能力。
- 采用原位加热差示扫描量热法（DSC）测量玻璃化转变温度和结晶温度。
- 通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和径向分布函数（PDF）分析探测原子结构。
- 将慢速沉积制备的超稳定玻璃与传统沉积制备的金属玻璃在结构和热学性能方面进行比较。
- 通过PDF分析分析中程有序（MRO），以关联结构特征与力学性能。
实验结果
研究问题
- RQ1在高温下缓慢沉积是否能显著提高金属玻璃的热稳定性？
- RQ2原子排列中的哪些结构特征导致了超稳定金属玻璃的稳定性与强度提升？
- RQ3超稳定金属玻璃与传统金属玻璃在中程有序程度上有何差异？
- RQ4热稳定性提升在多大程度上与力学性能的增强相关？
- RQ5能否优化沉积工艺，以制备兼具超高强和超稳定特性的金属玻璃？
主要发现
- 与传统玻璃相比，超稳定金属玻璃的玻璃化转变温度提高了51 K。
- 超稳定玻璃的结晶温度提高了203 K，表明其热稳定性显著增强。
- 超稳定玻璃的强度和硬度比其传统对应物高出30%以上。
- 原子结构分析显示，超稳定玻璃中存在明显的中程有序（MRO）特征。
- 增强的稳定性和力学性能直接归因于MRO的增加，其通过减少自由体积并稳定玻璃结构而起作用。
- 研究结果明确建立了一条通过受控沉积动力学设计高性能金属玻璃的可行路径。
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