玻璃工艺依靠流动来成型,可以制备几乎任何复杂漂亮的形状。

图3. 不同退火时间和施加应变下的应力驰豫函数。

流动新模式关乎材料稳定性

上述研究工作得到国家自然科学基金项目(51571209,51461165101)、“973”项目(2015CB856800)和中科院前沿科学关键研究项目(QYZDY-SSW-JSC017)的支持。

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该结果表明,缓慢流动也并不简单,存在着远比我们想象丰富的内禀特性,只不过这些现象被其长时间尺度所隐藏而难以发现。

西蒙·卡帕奇奥利和詹卡洛·洛克指出,汪卫华团队的工作表明金属玻璃实际上提供了一个在实验室时间尺度上研究玻璃如何恢复平衡态的非常有用的模型体系。硬质玻璃在变形条件下具有发生松弛的趋势,这一性质可能会影响材料的使用。而他们的发现使得研究者认清这一过程,从而有助于指导如何提高其功能特性和稳定性。该发现表明,在短时间尺度内玻璃中一直活跃着某种微观运动模式,而材料在使用过程中必须考虑这一模式以确保其稳定的性能。

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原子随机密堆形成金属玻璃,其表现为固体,但内部存在着高度活跃的类似液体的“流变单元”。

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(原载于《科技日报》2017-08-2405版)

图1. 三种金属玻璃体系在不同温度下的应力驰豫函数,施加的拉伸应变为0.3%。

玻璃是一类亚稳态的材料,组成玻璃的粒子会通过缓慢运动,使得材料向能量更稳定的状态过渡。这些粒子的运动形式称为弛豫。为了说明弛豫现象,汪卫华院士做了一个形象的比喻:“比如在一个极拥挤的公共汽车上,刚挤上车,觉得很挤。这时系统处在亚稳态。车开动以后,乘客通过微调位置,慢慢会变得宽松一些。整个系统变的更稳定。乘客微调位置的运动相当于原子的弛豫。”

原子的运动行为对于认识非晶态物质的凝聚状态至关重要,也是指导如何改善非晶材料性能,特别是力学性能的基础。在过冷液体中,很短时间内的局域原子重排与更缓慢的原子集团运动之间随着温度的降低发生脱耦,这种驰豫模式的脱耦的发现对于理解过冷液体,以及随后的玻璃化转变和形成的玻璃材料的形变行为至关重要。而在玻璃态,驰豫极为缓慢(时间尺度从小时到年的量级),这样大的时间尺度,在实验室里研究起来也非常困难。

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