稳定的材料性能是一种材料能否成功商业化的标志之一。美国化学家Frank Spedding曾经说过，“太多的物理学家在非常不精确的材料上做了非常精确的测试”。

非晶合金，作为一种形成于合金熔体急速冷却过程中的亚稳态材料，在材料性能的稳定性上存在诸多问题。例如，受化学纯度、熔化温度、保温时间、冷却速度、真空条件等材料制备因素的影响，不同人员或不同批次制备出的非晶合金样品在物理性能上存在诸多差异。如何将 “不精确材料”转变为“精确材料”是实现非晶合金成功商业化的关键。

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX4组汪卫华院士团队的程琪博士和导师孙永昊特聘研究员，与捷克杨·伊万杰利斯塔大学的Jiri Orava教授合作，利用最先进的梅特勒托利多超快差热分析仪证明了在一种金基非晶合金的熔体中存在一个混溶间隙（Miscibility gap），它导致熔体发生调幅分解型的液相分离，影响了该非晶合金的热稳定性。

图1：金基非晶合金的熔体温度对晶化温度的改变

研究发现，当熔体温度从500度提高到700度以后，由急速冷却所制备的非晶合金，它的玻璃化转变温度不变，但晶化起始和峰值温度分别升高了24度和40度。金基非晶合金的一项重要应用就是通过热塑法制备力学性能优异的精密结构。上述温度的提高扩展了该材料过冷液相的可加工温度区间，降低了其热塑成型的难度。

图2：金基非晶合金的晶体温度随熔体温度的变化

合金熔体中的非均匀性有三种可能的来源：局域团簇、液液相变和液相分离。程琪等人利用超快差热分析仪的超快加热和超快冷却优势，对相同的金基样品进行了反复多次的原位非晶化测试，获得了大量精确和可重复的实验数据。通过多次加热和冷却实验，研究排除了在熔体中存在残留晶体团簇的可能；通过保温实验，研究发现了在熔体中存在一种可能与氧掺杂有关的异质团簇；通过晶化温度随熔体温度的渐变，研究找到了液相分离而非液液相变的证据。

图3：金基非晶合金的熔体温度-冷却速率相图

该研究方法也可以拓展到晶态合金的熔体分析中。通过绘制合金熔体的温度冷速相图，程琪等人提出了具有混溶间隙的非晶合金熔体实现均匀化的标准，即需要同时提高熔体温度和冷却速率。通过调节温度和冷速，研究人员可以制备出匀质型、异质I型和异质II型三种不同类型、不同性能的非晶合金。

这项工作的意义是为人们通过调控熔体来设计固态合金提供了新的案例。相关成果以“Homogenization of a metallic melt: Enhancing the thermal stability of glassy metal”为标题发表在综合期刊一区杂志上。第一作者程琪博士现为北京大学化学与分子工程学院的博士后；通讯作者是孙永昊特聘研究员和Jiri Orava教授。

该工作得到了国家自然科学基金(51971239、92263103)、中国科学院先导计划(XDB30000000)、科技部重点研发计划(2018YFA0703603)、广东省自然科学基金(2019B030302010)和捷克共和国教育部(LM2018124)的资助。

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编辑：十七