Vues de dessus des trois rubans de verre métallique et des BMG correspondants fabriqués par la méthode de vibration ultrasonique. (Crédits photo :Dr J. Ma, Université de Shenzhen). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax7256.
Les scientifiques et les ingénieurs des matériaux visent à concevoir et à développer des verres métalliques en vrac (BMG) dotés d'excellentes propriétés. Le principal défi technique consiste à augmenter leur taille et à améliorer les propriétés des matériaux en laboratoire. En train d'écrire sur Avancées scientifiques , Jiang Ma et une équipe de chercheurs interdisciplinaires ont abordé le problème en collaborant avec les départements d'ingénierie micro/nano optomécatronique, Génie mécanique, Recherche en sciences informatiques et Instituts de mécanique et de physique. Ils ont démontré une nouvelle méthode pour synthétiser des BMG (verres métalliques en vrac) et des composites verre-verre métalliques à l'aide de rubans de verre métallique. Grâce aux vibrations ultrasonores, ils ont pleinement activé la relaxation des contraintes à l'échelle atomique au sein de la couche superficielle ultrafine pour accélérer la liaison atomique entre les rubans à basse température; bien en dessous du point de transition vitreuse. La nouvelle approche a surmonté les limites de taille et de composition associées aux méthodes conventionnelles pour faciliter le collage rapide de verres métalliques de propriétés physiques distinctes sans cristallisation. Les travaux de recherche ouvrent une nouvelle fenêtre pour synthétiser des BMG de composition étendue afin de permettre la découverte de composites verre-verre multifonctionnels qui n'ont jusqu'à présent pas été signalés.
Le verre est un matériau indispensable tout au long de l'histoire de l'humanité, jouer un rôle pratique dans la recherche scientifique et la vie quotidienne. Les variantes naturelles ou artificielles du verre trouvent des applications extrêmes en optique, biotechnologie, médecine et électronique. Les verres métalliques en vrac sont un bon matériau modèle pour l'étude de la structure et des propriétés des verres à emballage aléatoire dense, beaucoup d'attention depuis leur découverte. Les matériaux sont très prometteurs dans de futures applications pour développer des articles de sport, dispositifs biomédicaux et dispositifs électroniques en raison de leur limite élastique élevée et de leur excellente résistance à l'usure/aux radiations.
Cependant, les vitesses de cristallisation des liquides métalliques vitrifiables connus restent des ordres de grandeur plus élevés que les matériaux vitrifiables usuels tels que les polymères, silicates ou liquides moléculaires. Par conséquent, la capacité de formage du verre (GFA) reste un enjeu de longue date pour la recherche fondamentale, tout en introduisant un goulot d'étranglement pour les applications potentielles des BMG. Le GFA supérieur ne se trouve actuellement que dans un nombre limité de systèmes pour former du plomb (Pd), BMG à base de zirconium (Zr) et de titane (Ti). Les chercheurs ont fait des efforts substantiels dans le passé pour comprendre et améliorer la GFA des BMG afin de surmonter les limites existantes en incorporant la thermodynamique, frittage de plasma d'étincelle, méthodes d'assemblage thermoplastiques et, plus récemment, sélection de composants à haut débit guidée par l'intelligence artificielle.
Énergie d'activation de la surface du verre métallique grâce à des simulations MD. (A) Carte d'énergie d'activation obtenue par simulation MD. (B) Distribution des énergies d'activation à différentes distances de la surface. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax7256.
Les chercheurs ont découvert que la mobilité de surface des matériaux amorphes (matériaux sans structure cristalline détectable) est beaucoup plus rapide qu'en vrac en étudiant une variété de matériaux. Il existe également des preuves solides pour étendre la dynamique de surface rapide des couches monoatomiques à l'échelle nanométrique pour former des matériaux amorphes. Alors que les travaux précédents suggèrent que la dynamique atomique de surface rapide peut joindre des verres métalliques de différents types, le simple fait de toucher deux surfaces de verre métalliques à basse température ne facilite pas immédiatement la formation de liaisons métalliques. Afin de joindre des verres métalliques en accélérant la mobilité atomique de surface, il faut appliquer une pression et élever la température. Dans le travail present, Ma et al. considérablement accéléré la mobilité de la surface pour créer une liaison métallique ultrarapide sous vibrations ultrasoniques à température ambiante. Ils ont surmonté la limite de la capacité de formation du verre (GFA) pour synthétiser des BMG (verres métalliques en vrac) et former des composites de verre métallique (GGC) qui n'ont pas été signalés jusqu'à présent.
Pour explorer l'énergie d'activation à la surface du verre métallique et à la masse, les scientifiques ont appliqué des simulations de dynamique moléculaire (MD) combinées à la technique d'activation-relaxation nouveau (ARTn). Physiquement, l'énergie d'activation est liée à l'énergie nécessaire pour déclencher des sauts locaux entre sous-bassins voisins sur le paysage énergétique potentiel. Analyser statistiquement les profils de distribution d'énergie d'activation à la surface d'un verre métallique, l'équipe de recherche a divisé le modèle d'échantillon en différentes couches de quatre Angstrom (Å) d'épaisseur parallèles à la surface. La couche de surface réelle présentait des énergies extraordinairement basses (environ 0,05 eV) pour se comporter dans un mode de décroissance exponentielle pour suggérer que l'énergie d'activation dans la région en vrac était distincte de la surface.
GAUCHE :Propriétés mécaniques dynamiques mesurées sur les surfaces de verre métallique Zr50Cu50 sélectionnées comme échantillon modèle pour analyse. (A) et (B) montrent la carte tangente de perte viscoélastique à f =200 et 70, 000Hz. (C) est l'analyse statistique de (A) et (B), ce qui est bien ajusté par la distribution gaussienne. (D) est la distribution de la viscosité (ou du temps de relaxation) normalisée par la valeur à la position du pic de f =200 Hz. À DROITE :Collage rapide sur des surfaces en verre métallique à base de Zr créée par vibration ultrasonique. (A) Schéma de principe pour fabriquer le BMG par vibrations ultrasonores. (B) Déplacement de la sonotrode pendant la vibration constante. (C) Grossissement de (B). (D) Photographie de la matière première du ruban. (E) Photographie de la tige à base de Zr en vrac (diamètre, 5 millimètres; la taille, 3 mm) fabriqué à partir de la matière première du ruban. (F) Comparaison de la densité entre les BMG bruts et collés par ultrasons de différents systèmes. (G) Comparaison de la dureté entre les BMG bruts de coulée et collés par ultrasons de différents systèmes. Crédit photo :Jiang Ma, Université de Shenzhen. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax7256.
Pour mieux comprendre l'activation de la surface du verre métallique, les chercheurs ont étudié la mobilité de surface d'un film de verre métallique modèle à base de zirconium (Zr) en cartographiant sa tangente de perte viscoélastique (mesure sans dimension d'un matériau) à l'aide de la microscopie à sonde à balayage dynamique (DSPM). Sous agitation mécanique cyclique, certains atomes de surface dans des taches locales étaient fortement activés pour dissiper l'énergie mécanique, tandis que d'autres ne l'ont pas fait. Les résultats de la cartographie ont fortement soutenu l'idée que les atomes de surface dans les verres métalliques maintenaient une mobilité rapide. Ma et al. par conséquent, attendez-vous à ce qu'un processus de liaison rapide soit activé efficacement en présence d'une fréquence d'entraînement suffisamment élevée.
Pour faciliter un processus de liaison rapide induit par une fréquence de pilotage élevée, les scientifiques ont effectué des vibrations ultrasonores sur des rubans de BMG émiettés. Pour ça, ils ont placé les échantillons de ruban de verre métallique dans une plaque de base avec une cavité en carbure cémenté et appliqué une faible pression de précharge (~ 12 MPa) pour serrer fermement les rubans. Ils ont ensuite appliqué la sonotrode (une perceuse acoustique) à une fréquence de 20, 000Hz. L'équipe a utilisé trois systèmes d'alliages typiques différents, notamment à base de lanthane (La), à base de plomb (Pb), et des échantillons de ruban de verre métallique à base de zirconium (Zr), préalablement préparé à l'aide de procédés conventionnels de filage à l'état fondu.
Formage à froid de rubans amorphes sous vibrations ultrasonores. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax7256.
À l'aide d'un dispositif expérimental spécialement conçu, ils ont réuni les rubans dans un échantillon en vrac sous une vibration ultrasonore constante pendant moins de deux secondes. Ma et al. tiges à base de Zr en vrac conçues à l'aide d'une matière première de ruban, y compris les tiges en vrac à base de La et à base de Pd utilisant le même processus. Cependant, si les chercheurs avaient cristallisé les échantillons de ruban avant la vibration ultrasonore, ils n'auraient pas observé d'effet "collage", ce qui entraîne plutôt des portées brisées. Notamment, la nature amorphe unique était la clé de l'assemblage de rubans pour former des BMG sous forme d'échantillons non cristallins qui restaient amorphes pendant les vibrations ultrasonores à haute fréquence. Les BMG fabriqués par ultrasons étaient denses comme des échantillons bruts et présentaient de faibles porosités. Les résultats préliminaires de la nouvelle approche sont prometteurs pour développer des verres métalliques de grande taille.
GAUCHE :Fabrication des BMG avec multiphase. (A et B) Diagramme schématique pour synthétiser les BMG monophasés et multiphasés par des vibrations ultrasonores à partir des matières premières du ruban. (C et D) modèles XRD des BMG monophasés et multiphasés, indiquant leur nature amorphe. (E) Image au microscope électronique à balayage (MEB) des BMG doubles à base de La et de Pd. (F) Image HRTEM du BMG biphasé, montrant des structures amorphes distinctes de deux phases différentes. (G) Modèles de diffraction des régions sélectionnées R1, R2, et R3. Les régions R2 et R3 ont les mêmes barres d'échelle, comme indiqué dans la région R1. (H) Distribution des éléments du BMG biphasé par analyse EDS. Les images TEM partagent la barre d'échelle avec les autres cartes EDS. a.u., unités arbitraires. DROITE :résultats de la simulation MD. (A) Courbes déformation-contrainte calculées des échantillons I et II, qui sont préparés par deux méthodes de traitement différentes. Les données (ligne pointillée) de l'échantillon global tel que préparé sont répertoriées à titre de référence. (B) et (C) sont les instantanés des échantillons I et II colorés par le déplacement non affine Dj au point d'écoulement [comme indiqué en (A)]. (D) MSD calculé r2(t)〉 de la région d'interface et de la région en vrac. (E) Les distributions de densité de probabilité p(rΔt) des déplacements atomiques r(Δt =104 ps) de la région d'interface et de la région en vrac de l'échantillon II. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aax7256.
Inspiré par les premiers résultats, Ma et al. ont conçu des BMG avec plusieurs phases et composants amorphes utilisant des vibrations à haute fréquence et ont créé des BMG multiphasés combinant différents types de rubans. Pour y parvenir, ils coupent en morceaux des rubans de verre métallique de différents systèmes, les a mélangés dans une cavité de moule et obtenu des échantillons en vrac à l'aide de vibrations ultrasonores pour joindre les rubans ensemble en vrac.
L'équipe de recherche a utilisé des diagrammes de diffraction des rayons X pour démontrer que les BMG monophasés et multiphasés conservaient leurs structures amorphes. Les scientifiques ont également étudié les structures à micro-échelle et atomiques des BMG en utilisant la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) pour confirmer la présence de structures amorphes distinctes de différentes phases. Pour étudier la distribution élémentaire à travers l'interface, ils ont utilisé la spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) et ont noté un niveau de mélange par diffusion. Après, en utilisant des simulations de dynamique moléculaire (MD), Ma et al. a révélé l'origine atomique de la liaison rapide par ultrasons et a noté que la mobilité des atomes de surface différait considérablement de celle de la masse ; ce qui est typique des matériaux amorphes.
De cette façon, Jiang Ma et ses collègues ont démontré une approche d'assemblage par ultrasons pour synthétiser des verres métalliques de grande taille en utilisant une ou plusieurs phases amorphes. Le processus concernait fondamentalement la mobilité ultrarapide des verres métalliques. La nouvelle méthode permet la conception de plusieurs phases et microstructures. Les résultats de la recherche établiront un nouveau processus flexible pour concevoir et concevoir de nouveaux systèmes de verre métallique, d'étendre considérablement les applications des matériaux amorphes.
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