Prospěšné fázové transformace skel odhaleny pomocí synchrotronového záření

Objemová kovová skla postrádají oproti krystalickým protějškům uspořádání na dlouhou vzdálenost.. Díky jedinečnému „zdánlivě nahodilému“ uspořádání atomů jsou kovová skla velmi atraktivní pro konstrukční aplikace díky jejich velké elastické deformaci, vysoké pevnosti a tvrdosti. Tyto skla mají zajímavé funkční vlastnosti, jako je měkký magnetismus, biokompatibilita, odolnost proti korozi a jsou slibné v environmentálních aplikacích, jako je např. aplikace pro skladování vodíku. Katastrofální selhání kovových skel pod mechanickým zatížením však v podstatě omezuje jejich použití jako konstrukčních materiálů, například jako trvalé implantáty. V mnoha studiích bylo prokázáno, že zavedení tvárných krystalů do skla je účinný způsob, jak zvýšit plasticitu/tažnost, udržet pevnost anebo současně zvýšit bioaktivitu kompozitu.

Bohužel prospěšné krystalické fáze, jako je např. B2 fáze ve skle na bázi CuZr, jsou všechny vysokoteplotní fáze, které jsou metastabilní při pokojové teplotě a rozkládají se na termodynamicky stabilnější rovnovážné fáze. Toto vede k zajímavým otázkám a to převážně: Za jakých podmínek takové metastabilní fáze vznikají a jak je lze stabilizovat při pokojové teplotě pro praktické aplikace? Mezinárodní tým složený převážně z Fakulty životního prostředí (UJEP), IFW Dresden (Německo), Institute of Physics (Čína) a Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY (Hamburg) odhalil základní fyzikálně-chemické mechanismy tvorby krystalů, podmínky, za kterých mohou být definovaně připraveny a výsledky zveřejnil v časopise Journal slitin a sloučenin v roce 2023.

Použitím velmi rychlého ohřevu a chlazení, v řádu desítek tisíc kelvinů za sekundu s detekcí časového signálu 4 ms, kombinací in-situ XRD synchrotronového záření uvnitř zkonstruovaného ultrarychlého topného zařízení a ultrarychlé topné kalorimetrie, bylo zjištěno, že kovové sklo může podstoupit komplexní transformace krystalizací s podchlazené kapaliny a transformaci v pevné fázi. Právě aplikací vysokých rychlostí ohřevu přesahujících 4000 K/s a definovaným tepelným zpracováním lze stabilizovat vysokoteplotní fázi prospěšnou mechanickým vlastnostem skla při pokojové teplotě – vznik nízkoteplotních rovnovážných fází je kineticky potlačen.

Studie tak poprvé kompletně odhaluje všechny mechanismy fázové transformace ve skle a definuje podmínky, za kterých mohou vznikat prospěšné fáze. Článek také poskytuje komplexní experimentální inženýrské mapy užitečné pro definované tepelného zpracování skla a pro dosažení žádoucích mikrostruktur při pokojové teplotě, které lze využít v mnoha výše uvedených aplikacích.

Odkaz na článek:

X. Han, J. Orava, Q. Cheng, Y. H. Sun, S. Liu, O. Ivashko, K. K. Song, K. Nielsch, I. Kaban, Crystallization and phase-transformation diagrams of Nb-doped CuZrAl metallic glass obtained by fast-scanning calorimetry and in-situ synchrotron XRD upon flash-annealing. J. Alloy. Compds. 942 (2023) 169051. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169051 

Archiv ostatních publikovaných článků naleznete zde