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中國科學院物理研究所 EX4組供稿 第34期 2019年05月14日
北京凝聚態物理國家研究中心
非晶中的動力學缺陷—-流變單元研究

  對材料結構-性能關系的深入理解是人們對材料體系進行按需設計和性能調控的重要前提和理論基礎。在晶態材料中,由于周期性長程有序的原子排布,結構缺陷可以很好的被定義,并且很大程度上決定了材料的性能。例如基于經典的位錯理論,人們已經實現對許多傳統晶態合金體系進行按需調控并應用于極端服役條件,如航空航天和國防領域等。然而,對同樣十分重要并被廣泛運用的非晶態材料(或被稱為玻璃態材料),由于無序結構的復雜性,很難直接定義這種結構上的缺陷并建立起與性能的關聯,制約了非晶態材料的高效研發和性能優化。

  近年來,人們在非晶體系中發現不同微觀區域具有迥異的動力學行為表現,體現為時空的不均勻性。這種不均勻性的存在以及玻璃態中動力學弛豫行為的特性,不符合經典的無序理論和范式,指出了在無序體系中存在動力學缺陷的可能性。非晶合金(或稱金屬玻璃)不僅具有優異的性能,同時其具有相對簡單結構和價鍵結合,很適合作為模型體系進行研究。中國科學院物理研究所汪衛華研究組通過系統實驗,在非晶合金中發現了動力學缺陷存在的證據,定義為流變單元,并對其進行了深入的研究。如圖1所示,流變單元具有較高的能量和較快的動力學特性,容易被激發并作為承載形變的基本單元,并表現出類似液體的行為。后續研究發現,流變單元不僅可以用來解釋玻璃轉變和動力學弛豫等物理學難題,還與玻璃態的塑性和流變等力學行為建立起直接關聯,具有重要的科學意義同時有助于指導應用研究。

  《國家科學評論》(National Science Review)最近發表了由中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室王崢博士和汪衛華研究員共同撰寫的綜述文章“Flow Units as Dynamic Defects in Metallic Glassy Materials”(National Science Review 6: 304–323, 2019;doi: 10.1093/nsr/nwy084),在系統總結介紹了關于非晶中流變單元的相關研究進展的基礎上,明確提出了非晶中流變單元的概念,對流變單元的表征、特征、微觀結構圖像以及和力學性能的關系給出了系統的闡述和總結。給出流變單元概念在非晶材料性能調控的應用的大量實驗證據。作為無序體系中的動力學缺陷,流變單元概念和圖像的明確不僅有助于理解非晶物質的本質,基于流變單元模型提出的結構-動力學-性能關系,為非晶合金材料的性能調控提供了新的思路和方法。

  上述研究工作得到了國家重點研發計劃(2017YFB0701900)、973項目(2015CB856800)、國家自然科學基金項目(11790291,61888102)、中國科學院前沿科學重點研究計劃(QYZDY-SSW-JSC017)和先導B專項(XDB30000000)的支持。


圖1 非晶合金中的流變單元

下載附件>> NSR 6, 304 (2019).pdf
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