上海光源用户在金属玻璃材料研究中取得新进展

南京航空航天大学杨亮课题组与上海光源等单位合作，利用XAFS技术结合模拟计算研究了无序态合金材料，其研究成果发表在物理学顶尖学术期刊Physical Review Letters上(Atomic-Scale Mechanisms of the Glass-Forming Ability in Metallic Glasses, 2012, 109: 105502)。本工作立足于目前的研究热点—金属玻璃材料。相对于晶态合金，此类无序态合金材料具有各种优良的物理、化学、机械性能等，具有极为广阔的应用前景，但目前这方面研究存在一些瓶颈，需更为完善的理论进行指导。到目前，人们发现该类材料的非晶形成能力（决定样品制备尺寸）对合金成分尤为敏感，特别是在某些小成分区域（0.5-1%）出现非晶形成能力极值。该现象引起了广泛关注，因为一旦该现象得以解释，可望在合金体系中通过理论指导成分的调控以制备具有大非晶形成能力的材料。

课题组选取一些二元合金体系制备一系列成分微变的金属玻璃样品，进行X射线吸收精细结构实验（XAFS，该工作在上海光源BL14W1线站完成）和高能X射线衍射实验（HNXRD，100 keV能量，德国汉堡同步辐射实验室BW5线站完成）。由于非晶材料的相对无序结构特征，因此不采用XAFS拟合解谱进行结构分析。而是将XAFS和XRD实验数据同时带入反蒙特卡洛法（RMC）进行模拟计算，通过计算谱与实验谱的不断趋近得到接近真实环境的非晶结构模型。在本工作中引入晶体学中的致密度概念，对非晶结构解析的各种团簇内部的原子堆积效率进行计算，最终发现在非晶形成能力出现极值的成分点，其对应的原子堆积效率也相应出现极值。该工作表明，虽然在合金体系近邻成分的非晶样品中，其微观结构的主体特征（团簇类型和分布）比较相似，团簇内部的原子随成分变化不断调整其堆积效率，从而影响团簇的结构稳定性。在堆积效率出现相对极值的成分点，其具有相应的非晶形成能力极值，表现为一一对应的特征关系。该研究成果揭示了金属玻璃材料非晶形成能力的一个重要的结构影响因素，对该类材料的形成机制和制备原则提供了具有积极意义的理论阐释与指导。另外，该工作中提出的概念和研究方法可望推广到其他具有无序态结构特征的各种材料的研究工作中。

图：CuZr系列样品同步辐射（EXAFS、XRD）实验谱与RMC法计算谱的对比图片

(a)对分布函数曲线, (b)结构因子谱, (c)Cu K边和(d)Zr K边EXAFS谱

（实验谱和计算谱的高度符合表明最终计算的结构模型与实际情况极为接近）