北京科技大學在非晶合金多形性轉變研究取得重要進展

多形性轉變是晶體材料中普遍存在的一類相變，也是一種調控材料性能的有效途徑之一。非晶態材料儘管在原子排列上缺乏晶體材料的長程有序特徵，但也存在類似的非晶態多形性相變。重入型玻璃轉變是一類獨特的非晶態多形性轉變但重入型玻璃轉變的普遍性尚未得到證實。

近日，北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室呂昭平教授團隊首次在Pd-Ni-P非晶合金的相變過程中發現溫度誘導的重入型玻璃轉變（Reentrant Glass Transition），即在加熱過程中Pd-Ni-P非晶合金發生“玻璃態I-過冷液態-玻璃態II”的多形性相變，通過這種重入型玻璃轉變得到的玻璃態II具有超穩玻璃的特徵。該項研究進展在材料領域頂級期刊《Materials Today》發表。

原位升溫同步輻射X射線散射實驗表明，Pd42.5Ni42.5P15非晶合金在升溫過程中首先由玻璃態I進入到過冷液態作為過渡，而後經過結構有序化轉變形成新的玻璃態II。在此過程中，從短程至中程尺度的局域原子結構的有序度顯著增加，並造成非晶合金的體積、電阻和比熱急劇下降。原子尺度的模擬分析表明，重入型玻璃轉變的微觀機理主要是熱激活促使合金中部分P-P鍵發生分解，分解出來的P原子與Ni和Pd原子在混合焓的作用下發生重組形成新的(Ni, Pd)-P鍵，進而導致能量更低的Ni(Pd)2P和Ni(Pd)3P型團簇的增加。這些具有類晶體結構的原子團簇互相連接形成更大的中程序團簇，使得體系的有序度得到顯著提高、自由能減低，最終獲得熱力學和動力學上更加穩定的超穩非晶合金。

與以往非晶合金中報道的非晶態多形性轉變不同，本研究中的重入型玻璃轉變後的超穩非晶合金可以截留下來，為系統研究非晶態多形性轉變產物的結構和性能奠定了基礎，不僅證實了重入型玻璃轉變的普遍性，揭示了非晶合金過冷液體和玻璃相的多樣性，豐富了非晶態多形性轉變的研究範疇，為深入理解非晶態多形性轉變本質和破解玻璃轉變這一基本物理問題提供了關鍵模型材料，而且也為調控非晶合金的性能提供了一條新思路。

研究論文第一作者為北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室博士研究生杜清，通訊作者是劉雄軍研究員和呂昭平教授。北京高壓科學研究中心、中國散裂中子源、美國阿貢國家實驗室、威斯康星大學麥迪遜分校和約翰霍普金斯大學等單位參與併為研究工作提供了支持。這項工作得到了國家自然科學基金委項目和國家外國專家局、教育部“111”創新引智基地的資助。