Механизмът на атомната скала за подобрена способност на стъклото да формира стъкло

механизмът

  • Субекти
  • Обобщение
  • Въведение
  • Резултати
  • Дискусия
  • Методи
  • Допълнителна информация
  • Word документи
  • Допълнителна информация
  • Коментари

Субекти

  • Очила
  • Машиностроене
  • Метали и сплави
  • Структура на твърди вещества и течности.

Обобщение

Известно е, че способността за стъклообразуване (GFA) на метални стъкла в насипно състояние (BMG) може значително да се подобри чрез незначителни добавки на елементи. Липсват обаче преки доказателства, които да разкрият неговия структурен произход, въпреки различните теории, предложени досега. Чрез анализ на трансмисионна електронна микроскопия с висока разделителна способност (HRTEM) тук показваме, че съдържанието на локални кристалоподобни порядъци се увеличава значително в Cu-Zr-Al BMG след добавяне на 2 до% Y. За разлика от горните проучвания, нашите текущите резултати показват, че образуването на кристалоподобен ред в атомната скала играе важна роля за повишаване на GFA на базата Cu-Zr-Al BMG.

Въведение

Добавките на незначителни елементи (или микросплави) са широко използвани в металургичните полета, които са известни също като ефективно средство за повишаване на способността за формоване на стъкло (GFA) на различни стъклообразуващи течности 1, 2, 3, 4, 5 6, 7. Например, известно е, че критичният диаметър на металните стъклени пръчки Cu-Zr-Al е

3 мм; Въпреки това, той може да бъде увеличен до 8 мм след добавяне само на 2-5% Y към системата за формоване на стъкло 5. Въпреки че допълнителното добавяне на Y може да бъде вредно и да намали GFA, благоприятният ефект от микролегирането е добре познат и използван при топенето на различни метални стъкла (BMG) 5, 6, 7, 8, 9 .

За да се рационализира микролегиращият ефект, бяха изложени различни теории. Например, беше предложено, че микролегирането може да премахне кислородните примеси и по този начин да потисне хетерогенното кристално нуклеиране в преохладени течности 5, 8, 9; или че може да адаптира състава на системата по такъв начин, че получената структура да може да се приближи до дълбок евтектичен състав, като по този начин стабилизира течната фаза 5. Освен това дори беше аргументирано, че микросплавата може да доведе до напрежение в атомно енергийно ниво в формиращото течно стъкло, така че да се повлияе на термодинамичната движеща сила за кристално утаяване Въпреки всички тези теории, структурният произход на ефекта на микро сплавта остава неуловим, особено в атомния мащаб.

През последните години атомната структура на стъклообразуващите метални течности и стъкла получи интензивни изследователски усилия, фокусът на които беше върху разбирането на подредената фаза, като например реда на къси и средни разстояния, в аморфни структури. 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26. Като цяло е показано, че подредените атомни клъстери с локален икосаедричен тип 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 или кристална 11, 12, 13 симетрия са от голямо значение за поведението на витрификация на металообразуващи течности. 25, 27, 28, 29. Следователно е естествено да се чудим дали микролегирането може да повлияе на тези атомни групи чрез промяна на GFA на даден BMG. Отговорът на въпроса може да разшири нашето разбиране за структурния произход на микролегирания ефект, което определя целта на настоящите ни изследвания.

Резултати

Фигури 1 (a) - (b) показват HRTEM изображенията на Cu 46 Zr 47 - x Al 7 Y x (x = 0.2) като отлити BMG. На пръв поглед и двете аморфни структури изглеждат сходни и показват лабиринт. Няма глобална кристализация, както се вижда на изображенията на HRTEM, което е в съответствие с резултатите от XRD (вж. Допълнителни материали). Струва си обаче да се спомене, че избраният електронен дифракционен модел (SAED) (вложка на фиг. 1b), получен от BMG, съдържащ Y, показва малко по-тънък халогенен пръстен от този на BMG без Y (вмъкване на фиг. 1а), което предполага че може да има все по-голяма степен на структурно подреждане, макар и все още в общо аморфно състояние, след незначително заместване на Zr с елемент Y в BMG Cu-Zr-Al.

Изображение в пълен размер

Такова структурно подреждане, предизвикано от микросплави, може да бъде допълнително изследвано в филтрирани с HRTEM изображения с бързо преобразуване на Фурие (FFT). Фигури 2а и b показват FFT филтрирани изображения на правоъгълните области, избрани на фиг. 1а - b (пунктирана линия), съответно. Както се вижда на тези FFT филтрирани изображения (фиг. 2а - б), и двете проби съдържат кристалоподобни атомни групи (маркирани с жълтите правоъгълници), които обикновено са с размер от 1 до 2 nm и се характеризират с напомняне на локален модел на ресни на транслационна симетрия. Имайте предвид, че подобни подредени атомни структури са идентифицирани чрез използване на HRTEM в различни метални стъкла 12, 13, 30, 31 .