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郭胜锋课题组发明高温钼基块体非晶合金

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-06-28  浏览次数:57
核心提示:非晶态合金是一种原子缺乏周期性排列的新型金属材料,因其不存在位错、晶界等典型的晶体缺陷,这种独特的结构赋予其诸多与众不同
 

非晶态合金是一种原子缺乏周期性排列的新型金属材料,因其不存在位错、晶界等典型的晶体缺陷,这种独特的结构赋予其诸多与众不同的力学、物理和化学特性。然而,非晶合金是一种亚稳态材料,在时间、温度等作用下会发生向热力学平衡态的晶化转变,进而丧失无序结构所带来的优异性能。因此,非晶合金只能在远低于其玻璃转变温度以下的环境服役,这极大的限制了其应用领域和服役空间。

相比之下,难熔金属基非晶合金遗传了难熔金属高热稳定性的特点,其玻璃转变温度可达1000K以上,可以适应更宽泛的工作温区而展现出优异的高温性能。然而,半个多世纪以来,难熔金属基非晶合金(W、Mo、Ta等)极差的非晶形成能力导致其绝大多数仅能以条带、丝材、薄膜和粉体等形式存在。如何突破现有非晶形成理论束缚,实现工程化难熔金属基块体非晶合金,已成为非晶合金领域当前关注的焦点问题之一。

近期,西南大学郭胜锋课题组借助特殊金属间化合物的设计思想,在高性能难熔钼基块体非晶合金的开发和非晶形成能力等方面取得了重要进展。在众多金属间化合物中,他们选择了包含大量扭曲二十面体的Co2Mo3相,这种结构特点使得合金熔体在凝固过程中倾向于形成二十面体团簇以稳定过冷液体,同时该金属间化合物中部分原子占位由Co原子和Mo原子共同占据,表现出化学无序。进一步结合Mo-B共晶反应添加小尺寸的B元素,有效降低合金的熔点,缩短凝固过程中的过冷液温度区间,抑制晶体的形核长大。最终,成功地发展了临界尺寸达毫米级的Mo-Co-B块体非晶合金(见图1), 其具有高的热稳定性,玻璃转变温度超过1000K(见图2);同时其机械性能优异,纳米硬度可达17GPa,杨氏模量约为260GPa。第一性原理计算表明,其超高的热稳定性和优异的机械强度主要归因于材料内部原子之间形成大量具有共价特性的金属-类金属键的贡献。高性能Mo-Co-B块体非晶合金的发明,不仅为新型难熔金属基非晶合金的设计提供了新的视角,对推动该类材料在高温极端环境的服役以及在高端先进制造业中的应用均有着重要的意义。相关研究成果以“High-temperature Mo-based bulk metallic glasses”为题发表在金属材料领域Top期刊《scripta Materialia》上。西南大学为该成果的第一完成单位,硕士研究生赖利民为论文第一作者,郭胜锋教授、马萨诸塞大学陈文教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、重庆市自然科学基金的支持。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114095

1 Mo-Co-B块体金属玻璃的成分区间和显微结构


2 Mo-Co-B块体金属玻璃的玻璃转变和晶化行为;典型高温块体金属玻璃在热稳定性、成本方面的对比,以及过冷液相的液体行为



西南大学材料与能源学院
      西南大学材料与能源学院,由成立于2003年的西南大学材料科学与工程学院(前身为成立于2001年的西南大学材料科学研究所)和成立于2011年的西南大学洁净能源与先进材料研究院在2013年12月合并而成,合并后命名为西南大学材料与能源学部。于2019年1月正式更名为材料与能源学院,设洁净能源与先进材料研究院、材料科学系和材料工程系。
     学院以材料科学重大前沿问题的基础理论研究、新材料的工程应用和交叉学科的前沿研究为特色,重点研究领域包括洁净能源科学(涉及太阳能电池、锂/钠离子电池、微生物燃料电池以及光/电催化)、纳米生物医学(涉及药物递送、肿瘤诊疗和生物分析与传感)、功能陶瓷(涉及介电、铁电和压电材料)和金属功能材料(涉及非晶态合金、材料损伤与断裂和材料表面处理)。近三年学院教学科研人员在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、J. Control Release、Acta Mater.、J. Eur. Ceram. Soc.等国际知名期刊发表SCI论文532篇;申请中国发明专利74件,授权58件;新增国家及省部级纵向课题60项;承接企业委托横向课题27项;实现专利成果转让2项。
    

郭


郭胜锋,西南大学教授。2007年毕业于华中科技大学,获工学硕士学位。同年免试攻博,于2010年获工学博士学位。期间,以Research Assistant身份两次赴香港理工大学合作研究。2010年至今在西南大学工作。2012年8月-2013年1月,被聘为香港理工大学Research Associate.
主要从事非晶合金及其复合材料的形成、结构及其物性的研究。作为项目负责人,主持国家自然科学基金(面上项目、青年基金)、重庆市基础科学与前沿技术研究专项(重点)项目、重庆市自然科学基金、中国博士后科学基金(特别资助、面上项目)、中央高校基本科研业务费(重点、一般)、金属材料强度国家重点实验室开放基金、粉末冶金国家重点实验室开放课题、亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室开放课题等20余项。在Applied Physics Letters, scripta Materialia, Electrochemistry Communications 等著名期刊上发表SCI收录论文50余篇,被引用900余次。



 
 
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