金属玻璃的高通量制备与玻璃形成能力的快速表征

Metallic glasses exhibit excellent physical, chemical and mechanical properties, which have great potential applications in many industries. However, the development of metallic glasses still depends on time- and labor-consuming “trial and error” method, which cannot meet the requirement of “data intensive + artificial intelligence” in fourth paradigm of materials science. Therefore, this project proposes a high throughput method for metallic glasses fabrication and glass forming ability characterization, and studies the physical mechanism of the key steps in this method. Through illuminating the influences of thermodynamics and kinetics factors, such as mixing enthalpy, monolayer thickness, annealing temperature and time, on the uniformity of composition, combinatorial materials chips with large component space coverage will be prepared by using ion beam deposition and continuous mask. Afterwards, the interaction mechanism and thermal effect of pulsed laser on micro-zone samples will be systematically studied, and the physical origin of the difference in reflectance between metallic glasses and corresponding crystalline will be clarified. In the end, the critical cooling rate spectrum to form metallic glasses will be obtained by combining pulsed laser rapid cooling and in-situ reflectance detection technologies. The project will provide technical and theoretical basis for high throughput fabrication and structural characterization of metallic glasses, which is significant for the high-throughput development of metallic glasses.

金属玻璃拥有优异的物理、化学和力学性能，在众多行业有极大的潜在应用前景。然而目前金属玻璃的研发仍依赖于耗时费力的试错法，无法满足材料科学第四研究范式“密集数据+人工智能”的需求。因此，本项目拟提出一种新的金属玻璃高通量制备和玻璃形成能力快速表征方法，对其中关键步骤的物理机制进行研究。阐明混合焓、单层膜厚、退火温度与时间等热力学、动力学影响因素对组合材料芯片成分均匀性的影响，在此基础上结合离子束溅射和连续掩膜技术，制备具有大的成分空间覆盖率的组合材料芯片；阐明脉冲激光与微区样品的相互作用机制以及金属玻璃和相应晶体反射率的区别的物理本源，系统的考察不同脉冲激光条件对样品的热影响规律，进而结合脉冲激光快速冷却和原位反射率测量技术，获得组合材料芯片可形成金属玻璃的临界冷却速率图谱。该项目的开展对于实现金属玻璃的高通量制备和高通量结构表征具有重要意义，可以为其提供技术路径和理论依据。

金属玻璃兼具金属和玻璃、固体和液体的特征，具有优异的物理、化学和机械性能，不仅在众多行业具有重要的应用，而且也是研究复杂体系中科学问题的重要模型。但受限于金属玻璃多组元的特征和现有玻璃形成能力判据的局限性，依赖传统的试错法难以实现其按需设计。因此，本项目基于材料基因工程，立足金属玻璃的高通量制备和玻璃形成能力快速表征，对其中关键步骤的物理机制开展了研究，研究成果包括：揭示了梯度成分多层膜在固相反应非晶化过程中混合焓、单层膜厚度、扩散系数、退火温度、退火时间等工艺参数和热力学、动力学影响因素对多层膜扩散和结晶的影响规律，确定了在不破坏横向成分梯度的基础上实现纵向成分扩散均匀并形成金属玻璃的“成分-膜厚-退火温度-退火时间”窗口；研究了多个二元和三元玻璃形成体系中金属玻璃的结构特征，揭示了金属玻璃形成及其结构随成分的演化规律，建立了玻璃形成能力和X射线衍射第一峰半峰宽的关联，为快速表征玻璃形成能力提供了便捷、实用、高效的新判据，并在判据指导下发现了IrCoTa、CuZrCr两个块体金属玻璃形成新体系；研究了良好玻璃形成能力的微观结构起源，澄清了团簇构型多样性对玻璃形成能力的影响；研究了脉冲激光参数对微区样品的热影响规律，揭示了金属玻璃和相应晶体反射率的区别和物理起源，可以快速判断材料是否为非晶态，并将研究结果进一步扩展到金属玻璃氧化行为的表征。本项目对于深入理解金属玻璃的形成过程以及良好玻璃形成能力的微观结构起源具有重要的科学意义；同时也为基于材料基因工程实现金属玻璃的快速研发和玻璃形成能力的快速表征奠定了理论基础，提供了技术路径。