近日，安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院青年教師程琪與中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室EX4組汪衛(wèi)華院士團(tuán)隊(duì)的孫永昊特聘研究員、捷克楊×伊萬(wàn)杰利斯塔大學(xué)的Jiri Orava教授利用快速掃描量熱技術(shù)原位調(diào)控金屬熔體，系統(tǒng)研究了不同參數(shù)下冷卻后的金屬玻璃的結(jié)構(gòu)和性能，實(shí)現(xiàn)了原位設(shè)計(jì)高性能金屬玻璃材料的目的。這一成果為玻璃材料的設(shè)計(jì)與性能調(diào)控提供了新路徑，為珠寶、增材制造和功能材料領(lǐng)域帶來(lái)了重要突破。相關(guān)成果以《Fast scanning calorimetry: From thermal analysis to glass design》為標(biāo)題發(fā)表在材料學(xué)頂級(jí)期刊《Acta Materialia》上。

       研究團(tuán)隊(duì)利用快速掃描量熱技術(shù)（FDSC），深入探究了金屬玻璃的熱處理過(guò)程及其對(duì)材料性能的影響。FDSC是一種先進(jìn)的熱分析技術(shù)，傳統(tǒng)差示掃描量熱法（DSC）的加熱和冷卻速率通常僅為5 K/s，而FDSC通過(guò)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）芯片技術(shù)，將速率提升至每秒百萬(wàn)次級(jí)別（最高達(dá)1,000,000 K/s），能在毫秒級(jí)時(shí)間分辨率下捕捉材料在快速熱處理過(guò)程中的瞬態(tài)熱響應(yīng)。

       研究團(tuán)隊(duì)以金基合金（Au-Ag-Pd-Cu-Si）為模型材料， 通過(guò)控制冷卻速率（f_c）、淬火溫度（T_q）、退火溫度（T_a）和退火時(shí)間(t_a)等參數(shù)，成功制備出具有不同結(jié)晶行為的玻璃態(tài)材料（如圖1所示）。例如：不含晶核玻璃態(tài)（CHG）：通過(guò)高冷卻速率從高淬火溫度冷卻形成，無(wú)任何晶核。具有高穩(wěn)定性，適合用來(lái)做熱塑成型材料。含有晶核的玻璃態(tài)（SDG）:通過(guò)中等冷卻速率/低淬火溫度/特定退火條件引入結(jié)構(gòu)異質(zhì)性形成。在某些應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)性能和抗腐蝕性能。含有晶體的玻璃態(tài)（SCG）：通過(guò)低冷卻速率形成，含有納米晶。適合設(shè)計(jì)優(yōu)良磁性能的金屬玻璃納米晶復(fù)合材料。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，金屬玻璃的均質(zhì)性由其快速冷卻決定。然而，該研究通過(guò)FDSC結(jié)合動(dòng)力學(xué)分析，首次揭示了異質(zhì)性的多重來(lái)源：熔體結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型—淬火溫度低于863 K時(shí)，熔體自身化學(xué)不均勻性被凍結(jié)；過(guò)冷液體主導(dǎo)型—中等冷卻速率下，液態(tài)結(jié)構(gòu)在降溫過(guò)程中自發(fā)分相；玻璃退火誘導(dǎo)型—近玻璃轉(zhuǎn)變溫度（T_g）退火引發(fā)局部結(jié)構(gòu)弛豫，形成亞穩(wěn)異質(zhì)區(qū)。

       該研究成果為調(diào)控材料的等構(gòu)玻璃態(tài)提供了可能，無(wú)需改變材料的化學(xué)組成，即可實(shí)現(xiàn)廣泛性能的優(yōu)化，以滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。珠寶行業(yè)：金基金屬玻璃較傳統(tǒng)金合金硬度更高、抗腐蝕性更強(qiáng)，但存在“變色”問(wèn)題。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)FDSC調(diào)控冷卻速率和退火條件，抑制晶核形成，為高端珠寶提供耐久解決方案。增材制造：金屬玻璃在3D打印中易結(jié)晶破壞成型精度。通過(guò)FDSC構(gòu)建的“熱加工圖”（圖1），研究人員可精準(zhǔn)鎖定抑制結(jié)晶的參數(shù)范圍，確保材料保持非晶態(tài)，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造奠定基礎(chǔ)。功能材料：軟磁與高韌性復(fù)合材料。研究顯示，半晶態(tài)玻璃（SCG）中納米晶相與玻璃基體的協(xié)同效應(yīng)，可顯著提升軟磁性能（如Fe基合金）或斷裂韌性（如Zr基合金）。這種“結(jié)構(gòu)-性能”定向設(shè)計(jì)理念，為開(kāi)發(fā)新一代功能材料提供了新思路。

       該研究成果為人們?cè)徽{(diào)控金屬熔體設(shè)計(jì)性能不同的玻璃態(tài)材料提供一種快速的新方法和適用指南，打破傳統(tǒng)依賴(lài)成分優(yōu)化性能的局限，為材料科學(xué)的發(fā)展注入新的活力。

       該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委（92263103，52471188）和捷克共和國(guó)教育部（LM2018124）的資助。本文的第一作者程琪，長(zhǎng)期從事超快差熱分析研究，已發(fā)表相關(guān)研究工作9篇，包括3篇冶金學(xué)一區(qū)期刊雜志Acta Materialia。

      《Acta Materialia》論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120940.

圖1. 金基非晶合金的熔體溫度-冷卻速率和退火溫度-退火時(shí)間調(diào)控工藝相圖。

新聞鏈接：https://www.ahnu.edu.cn/info/1107/127930.htm

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