금속 유리 형성 액체의 취약성의 조성 의존성

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3708(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

점도와 온도 의존성, 취약성은 액체의 주요 특성입니다. 낮은 취약성은 금속 유리의 형성을 촉진하는 것으로 여겨집니다. 그러나 구성 의존성에 대한 실험 데이터가 부족하기 때문에 취약성에 대한 이해가 부족한 상태로 남아 있습니다. 여기서는 광범위한 조성과 유리 형성 능력에 걸쳐 금속 유리 형성 액체의 취약성을 측정하는 필름 팽창 방법(FIM)을 소개합니다. 우리는 Mg-Cu-Y의 25 at.% 범위를 넘는 170개 합금의 취약성을 결정합니다. 이 합금 시스템 내에서는 큰 취약성 변화가 관찰됩니다. 일반적인 이해와는 달리, 여기서 낮은 취약성은 높은 유리 형성 능력과 상관관계가 없습니다. 추가 기여로 결정화 복잡성을 소개합니다. 이는 여러 자릿수의 유리 형성 능력을 모델링할 때 잠재적으로 중요해질 수 있습니다.

점도 eta는 액체1,2의 핵심 특성입니다. 이는 흐름에 대한 거시적 저항을 결정하고 확산3,4 및 구조적 완화1,5와 같은 동적 프로세스를 제어합니다. 온도가 증가하면 열 활성화로 인해 점도가 낮아집니다. 또한, 액체의 원자 평형 구조는 증가하는 온도에 지속적으로 조정되어 점도가 더욱 감소합니다. 액체의 유형(예: 원자, 분자, 공유 네트워크), 구성 및 원자 구조에 따라 이러한 구조적 기여의 크기가 결정됩니다2,6,7,8,9,10. 따라서 이는 액체 취약성6으로 널리 알려진 핵심 특성인 점도-온도 의존성에 뚜렷이 반영됩니다. 질적으로 액체는 Angell 플롯(그림 1a)을 사용하여 강함과 깨지기 쉬운 것으로 분류됩니다. 취약성을 정량화하기 위해 취약성 매개변수 m이 일반적으로 사용됩니다7(식(1)). 취약성은 원자 구조가 동결된 유리 상태가 아닌 액체 상태의 특성입니다(그림 1b).

Angell 플롯에서 Tg/T는 유리 전이 온도 Tg6,7,8,9에 의해 조정된 역온도입니다. 유변학적 관례에 따라 Tg는 1012 Pa·s의 점도에 해당하며, 이 주위에서 열량계 유리 전이가 일반적으로 발생합니다6,11. a 액체 취약성: 강한 한계에서 액체는 Arrhenius 방정식 \(\eta ={\eta}_{0}{{\exp }}\left(\frac{{E}_{)에 따라 선형 온도 의존성을 나타냅니다. {{{{{\rm{A}}}}}}}}{{k}_{{{{{{\rm{B}}}}}}}T}\right)\)1,7, 8. 이는 열 활성화에서만 발생하며 구조적 변화를 수반하지 않으므로 기본 흐름 메커니즘과 활성화 에너지 EA는 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. 이에 비해 깨지기 쉬운 액체는 전체적으로 낮은 점도를 나타내며 큰 구조적 변화로 인해 Tg에 접근하면 급격한 증가를 보입니다. 특히, 온도 흐름이 감소함에 따라 점점 더 협동적인 재배치가 필요해 활성화 장벽이 커집니다. 취약성 매개변수 m은 Tg에서의 기울기입니다. Arrhenius 거동의 범위는 16이며, SiO26에 의해 가장 밀접하게 실현되며 깨지기 쉬운 액체의 경우 100을 초과합니다6,7. b 유리 전이: 준안정 평형 상태의 과냉각 액체는 온도 변화에 따라 구조를 지속적으로 조정할 수 있습니다. 이것이 취약하고 아레니우스가 아닌 행동의 기원입니다. 대조적으로, 액체는 Tg에서 평형 상태에서 유리 상태로 떨어집니다. 여기서 구조 변화의 시간 규모는 실험 시간 규모1,8,37보다 커집니다. 이 고정된 등구조 유리 구성은 Arrhenius 유형 열 활성화에 의해 제어되는 얕은 점도-온도 의존성을 나타냅니다. (단순화를 위해 여기서는 동일한 Tg와 가상 온도를 가정합니다.)

금속 유리 형성 액체는 취약성을 연구하는 데 특히 흥미롭습니다. 특히 고분자 액체에 비해 구조적 단순성은 어디에서나 결론을 내릴 수 있게 해줍니다. 동시에, 구성은 지속적으로 다양할 수 있고 일반적으로 원자 크기, 에너지 및 기하학적 상호 작용에서 큰 차이가 있는 여러 구성 요소를 특징으로 하기 때문에 탐색을 위한 다양한 기반을 제공합니다. 이로 인해 광범위한 액체 구조와 특성이 나타날 수 있습니다. 가장 중요한 것은 임계 냉각 속도 RC를 통해 정량화된 유리 형성 능력(GFA)의 범위가 수십 배 이상일 수 있다는 점입니다15. 많은 금속 액체는 RC > 108 K/s15로 낮은 GFA를 나타냅니다. 특정 조성의 다른 것들은 <103 K/s에서도 결정화 없이 Tg 이하로 과냉각될 수 있어 벌크 유리 형성이 가능합니다16,17. 일반적으로 취약성은 이완, 확산 및 결정화 역학18,19,20,21,22, 기계적 특성23 및 탄성 상수24를 포함한 많은 액체 및 유리 특성과 관련이 있습니다. 가장 중요한 것은 강한 액체가 높은 GFA11,18,19,20,21,25,26,27,28,29,30,31,32와 상관관계가 있다는 것이 널리 제안되어 왔다는 것입니다. 기술적으로 점도와 취약성은 주조, 열가소성 성형, 어닐링 및 노화와 같은 가공에 중요합니다.