凝胶聚合物质量（NatureCommunications金属玻璃成型液中脆性的成分依赖性）

粘度和它的温度依赖性、脆性，是液体的关键性质。脆性低，被认为是促进金属玻璃的形成。然而，由于缺乏有关其成分依赖性的实验数据，人们对其脆弱性仍然知之甚少。

在此，来自美国耶鲁大学的Sebastian A. Kube & Jan Schroers等研究者，介绍了薄膜膨胀法(FIM)，它测量了金属玻璃形成液体在大范围的成分和玻璃形成能力的易损性。相关论文以题为“Compositional dependence of the fragility in metallic glass forming liquids”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31314-3

粘度η是液体的中心性质。它决定了宏观流动阻力，并支配扩散和结构弛豫等动力学过程。随着温度的升高，热活化降低了粘度。此外，液体的原子平衡结构不断调整，以适应不断升高的温度，这进一步降低了粘度。液体的类型(例如，原子、分子、共价网络)、其组成及其原子结构，决定了这种结构贡献的大小。因此，它们明显地反映在由此产生的粘度-温度依赖性上，这是一个被广泛称为液体脆性的关键特性。根据安吉尔图(图1a)，液体被定性地分为强液体和易碎液体。为了量化脆性，常用脆性参数m()。脆性是液体状态的属性，而不是原子结构被冻结的玻璃状态(图1b)。

图1 液体和玻璃中的粘度-温度依赖性。

金属玻璃成型液的易损性研究，尤其有趣。它们的结构简单，特别是与聚合物液体相比，允许普遍的结论。与此同时，它们为探索提供了多样化的基础，因为成分可以连续变化，通常具有多种组成元素，在原子大小、能量和几何相互作用方面存在很大差异。这可以导致广泛的液体结构和性质。最重要的是，通过临界冷却速率RC量化的玻璃形成能力(GFA)，可以达到多个数量级。许多金属液体表现出较低的GFA，具有RC > 108 K/s。其他在特定成分下可以过冷到Tg以下而不结晶，即使在<103 K/s，允许大块玻璃形成。一般来说，脆性与许多液体和玻璃性能有关，包括弛豫、扩散和结晶动力学、机械性能和弹性常数。最重要的是，人们普遍认为强液体与高GFA有关。从技术上讲，粘度和易损性对加工很重要，例如铸造、热塑性成形、退火和时效等。

虽然粘度和脆性是如此重要的根本，但它们是具有挑战性的测量。它们需要一系列技术，来覆盖14个数量级的全部粘度范围。替代方法可以估计脆性，而不直接测量粘度，但它们的适用性和准确性往往是有限的。为了确定金属玻璃形成液体的易损性，在Tg附近覆盖高粘度范围的方法更适合，粘度变化最显著，结晶时间最长。然而，这些技术通常需要批量样品。这限制了它们的适用性，因为在给定的合金系统中，大块玻璃形成的成分区域通常很小。由于这些挑战，迄今为止只有少量可靠的脆弱性数据。这些数据大多局限于散装玻璃成形，通常只涵盖每个合金系统中的单一成分。由于缺乏某一特定合金系统中涵盖更广泛成分范围的脆性数据，因此，无法对脆性的结构起源及其与其他因素的相互作用进行系统研究。

研究者提出，金属玻璃形成液及其玻璃的结构-性能关系，是通过比较不同合金成分在同一合金系统中的脆性最好地揭示。因此，化学元素保持不变，而液体的原子和电子结构则因组成而改变。所考虑的合成空间必须跨越GFA中的多个数量级，以解决各种问题：合成的脆弱性变化有多大？这些变化顺利吗？是否有特殊的成分表现出异常高或低的脆性，可能是由于特别有利或不利的包装结构引起的？脆弱性是如何与总资产相关的？

在此，研究者为测定粘度和脆性的组分依赖性奠定了基础。研究者介绍了薄膜膨胀法(FIM)，该方法依赖于在~108到1010 K/s的冷却速率下溅射形成玻璃，为玻璃样品提供了广泛的成分范围的实验途径。研究者测定了170种合金在25℃以上的脆性。在Mg-Cu-Y %这个合金系统中，可以观察到很大的脆性变化。与一般的理解相反，脆性低并不与玻璃形成能力高相关。研究者引入结晶复杂性作为一个额外的贡献，这可能成为潜在的重要建模玻璃形成能力超过多个数量级。（文：水生）

图2 薄膜膨胀法(FIM)。

图3 Mg-Cu-Y中的Tg和Tx。

图4 Mg-Cu-Y的脆性和其他性质的组成图，以及与玻璃形成能力的比较。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他网站。