【AM宁波材料所建所20周年专刊】基于能量调控设计具有优异性能的非晶/纳米晶合金

非晶合金在电力电子、航空航天、催化等领域具有重要应用前景。由于非晶合金具有无序的原子结构特征，难以构建结构-性能间的关联，极大限制了高性能非晶合金材料的研制和应用。非晶合金处于非平衡亚稳状态，能量状态可以在很大范围变化，通过精准控制能量的弛豫过程，可以建立能量-性能关系，为设计性能优异的非晶/纳米晶合金提供新途径。

近年来，中国科学院宁波材料技术与工程研究所非晶合金磁电功能特性研究团队在王军强研究员的带领下，致力于非晶/纳米晶合金的制备和设计、弛豫和晶化等亚稳特征、磁功能特性研究（Adv. Funt. Mater. 2024, 2313355，Proc. Natl. Acad. Sci. 2023, 120, e2302776120，Nature Commun. 2023, 14, 8407，Sci. China-Phys. Mech. Astron. 2023, 66, 256111，Mater. Today Phys. 2021, 21, 100528，Phys. Rev. Lett. 2020, 125, 135501，Acta Mater. 2020, 185, 38，Phys. Rev. Mater. 2018, 2, 063601，Acta Mater. 2016, 104, 25，Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 2567）。近日，该团队受邀在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Designing Advanced Amorphous/Nanocrystalline Alloys by Controlling the Energy State”的综述文章，系统总结了通过调控能量状态设计具有优异功能特性的非晶/纳米晶合金的研究进展，尤其重点介绍了非晶合金弛豫规律、弛豫基本单元——弛豫子的发现，以及弛豫子相互作用导致的记忆效应等，并介绍了非晶能量变化对催化、磁性、力学、热稳定性、晶化等性能的影响规律和机制（图1）。

本文重点讨论了非晶合金能量演化过程中的弛豫动力学规律。介绍了利用高精度闪速差示扫描量热仪测量非晶合金的热流变化，探测到符合德拜模型的基本弛豫单元，提出了 “弛豫子”概念，并在实验上实现了对特定弛豫子的编程式设计，在焓空间中定量表征了不同模式弛豫子的含量（图2）。作者讨论了弛豫子相互作用，及其对纳米晶化和软磁和磁热性能的影响。文章指出，两种不同模式的弛豫子的相互作用具有不可交换的特点，当从具有小激活能的β弛豫子跳入具有大激活能的α弛豫子区间时，将会激活能量的记忆效应，反之，则不会出现能量记忆效应；根据β弛豫子对纳米晶形核的影响，研究人员提出一种设计微细纳米晶结构的新策略，并基于此设计出具有优异软磁和磁热性能的新型非晶纳米晶合金（图3）。最后，文章对非晶/纳米晶合金研究进行展望，讨论了影响非晶合金亚稳特征的主要因素及关键科学问题。

宁波材料所王军强研究员、宋丽建研究员、霍军涛研究员、高萌研究员、张岩研究员文为论文作者，本研究得到了国家重点研发计划（2018YFA0703600）、国家自然科学基金（52231006、52001319、92163108、52271158、52222105、51827801、52201194）、浙江省自然科学基金（LGF22E010002、LZ22A030001、LR22E010004）、浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目（2022C01023）、宁波市科技创新2025重大专项（2019B10051）等项目的支持。

图1 非晶合金能量地形图，调控能量设计具有先进性能的非晶/纳米晶合金

图2 弛豫子探测、编程化设计和定量表征

图3 通过调控弛豫子含量，设计具有优异软磁性能的非晶纳米晶复合材料

（磁性材料与器件重点实验室）