在低温环境下测量块体非晶合金扩散系数的装置及方法与流程

1.本发明涉及非晶合金热物理性质测试技术领域，尤其是涉及一种在低温环境下测量块体非晶合金扩散系数的装置及方法。


背景技术：

2.非晶合金是一种原子结构具有长程无序特点的材料。高温熔融金属经过快速冷却，凝固的固体保留了液体的无序结构，即为非晶合金。由于这种特殊的原子结构，非晶合金相比同成份的晶体材料，具有更低的密度并表现出特殊的物理、化学等性质，并且具有不同的动力学行为特征。
3.大量的实验证实，非晶合金表面具有与内部不同的动力学特征。通过微观表征方法(纳米尺度)，如电子关联谱和高分辨透射电镜等方法，可直接观测到纳米量级样品的原子运动，通过表征扩散系数和弛豫时间等参数，发现了低维的非晶合金(纳米颗粒、纳米棒)表面具有远快于内部的动力学特征。对于介观尺度非晶合金，如微米尺寸的非晶合金膜，也有较为成熟的方法表征其表面动力学特征。即通过预设表面特殊结构，如光栅等，通过测量介观尺寸非晶合金表面形貌的演化，推算得到其扩散系数。但这种方法无法实现低温以及块体非晶合金的表面扩散系数等重要参数的测量。
4.现有技术中与本专利中测量非晶合金表面扩散系数的方法相关的测量技术主要有：
5.一、预设非晶合金表面特殊结构，利用升温后非晶合金表面的扩散运动，在一定时间后，利用原子力显微镜观察形貌演化，推导得出非晶合金表面扩散系数(high surface mobility and fast surface enhanced crystallization of metallic glass，appl.phys.lett.107，141606，2015)。
6.然而，针对利用表面形貌测量非晶合金的方法主要局限在两个方面：
7.1.由于该过程中需要观察表面形貌来研究表面扩散系数，受限于观测表征手段的精确度，通常需要对非晶合金进行长时间退火处理。退火的温度一般为0.9tg。目前对于大多数的非晶合金体系，0.9tg的温度对应为540k，即267℃(tg往往高于600k)。这种温度条件下测到的扩散系数为对应0.9tg温度的扩散系数。对于非晶合金这种亚稳定条件的物质而言，其扩散规律比较特殊，根据报道的实验结果，扩散系数与粘度在远高于熔点的状态符合爱因斯坦-斯托克斯关系，而随着温度的降低，这一规律演化为分形的爱因斯坦-斯托克斯关系，即
[0008][0009]
其中，ξ等于1时，即谓标准的爱因斯坦-斯托克斯关系；随着温度的降低，ξ指数变小，该指数约为0.5左右。但截止到目前为止，最低的表征温度为0.8tg，因此无法用这种方法对低温条件下的非晶合金表面扩散行为进行表征。
[0010]
2.通过表面形貌变化得到表面扩散系数的方法，需要已知该材料的相关物性参数，包括表面能、原子体积和原子数密度等参数，这些参数对于单组元成份的金属体系已经
较为完善，但对于多元的非晶合金体系，较难获得这些参数。
[0011]
二、公开号为cn 108333103 a的中国专利公开了一种摩擦副材料对偶粘着系数的测试方法及装置，如图1所示，其测试的基本原理为：给线圈5通电，使其产生与磁铁6相反极的磁场，5与6产生斥力，带动样品4与上端样品3接触。在接触一定时间后，向线圈8中通电，通过产生与磁铁6相反磁场的力，带动样品4与3分开。记录断开瞬间的线圈8的电压值，来计算分离力的大小。通过计算与线圈5所加电压对应的正应力的比值，即为粘着系数。
[0012]
基于上述专利中测量分离力与粘着系数的方法，可以测量非晶合金在常温条件下的扩散系数(strong adhesion induced by liquid-like surface of metallic glasses，appl.phys.lett.120，051601，2022)。该专利在推算非晶合金表面扩散系数的过程中，虽然通过数据得出了近似在无正压力，仅靠扩散完成表面间隙所需要的时间，但在式(4)中，为了得出表面扩散系数，利用的是完美平整表面的表面积，与实际的样品表面的表面积有较大的偏差。


技术实现要素：

[0013]
本发明提供的一种在低温环境下测量块体非晶合金扩散系数的装置及方法，旨在解决上述背景技术中存在的问题，通过研究在低温环境条件下块体非晶合金表面扩散系数，设计利用非晶合金表面粘接的特性来测量，测试的原理为在超高真空环境下，将非晶合金表面进行接触，由于表面扩散的原因，两个金属表面的原子扩散结合成键，通过测量表面结合强度可以推算表面扩散系数。
[0014]
为了实现上述技术目的，本技术主要采用如下技术方案：
[0015]
第一方面，本技术提供了一种在低温环境下测量块体非晶合金扩散系数的装置，包括，
[0016]
真空室，所述真空室为该测量装置提供真空环境；
[0017]
环境仓，所述环境仓位于真空室内部，环境仓顶部与所述真空室相连通，底部连通设置有冷却介质通道，根据冷却介质流速，提供环境仓内不同的环境温度；
[0018]
激光缝隙检测装置，位于所述环境仓内，设置在待测块体非晶合金样品两侧；
[0019]
调节机构，所述调节机构位于环境仓内，用于控制对待测块体非晶合金样品之间应力的加载或卸载，并通过控制样品的位置实现应力的变化。
[0020]
在一些实施例中，所述调节机构具有活动端，所述待测块体非晶合金样品设置为两个，且上下正对向排布，所述活动端固定连接所述上端的待测块体非晶合金样品，所述调节机构控制上端的待测块体非晶合金样品的位置实现上下两个待测块体非晶合金样品之间应力的加载或卸载。
[0021]
在一些实施例中，所述调节机构为力学试验机；所述环境仓内还设置有温度传感器。
[0022]
第二方面，本技术提供了一种在低温环境下测量块体非晶合金扩散系数的方法，包括如下步骤：
[0023]
s1：计算待测块体非晶合金样品接触区域的稳定表面积af；
[0024]
s2：计算在达到预设温度值t条件下，所述待测块体非晶合金样品之间的分离力达到临界分离力f
*
，且对待测块体非晶合金样品施加外力l＝0时，对应的临界保载时间t
l＝0
；
[0025]
s3：计算待测块体非晶合金样品的扩散系数，
[0026][0027]
进一步的，步骤s1中，计算待测块体非晶合金样品接触区域的稳定表面积af，包括如下步骤：
[0028]
s11：将待测块体非晶合金样品表面进行预处理后，测量样品表面形貌，在单个像素点测量该区域的高度值，建立高度分布矩阵h
xy
；
[0029]
s12：基于待测块体非晶合金样品的理想光滑平面与真实平面之间的高度差，测量待测块体非晶合金样品的真实表面积a
*
；其中，本文中理想光滑平面是指完全光滑没有高低起伏的平面；真实平面是指待测块体非晶合金样品真实样貌的平面。
[0030]
s13：根据表面积a
*
随不同接触-分离循环次数的变化规律，推导接触区域的稳定表面积af。
[0031]
进一步的，步骤s11中，所述预处理包括对待测块体非晶合金样品表面进行抛光、打磨。
[0032]
进一步的，步骤s11中，采用原子力显微镜afm对所述待测块体非晶合金样品表面进行测定，根据原子力显微镜afm的扫描分辨率测量参数，建立高度分布矩阵h
xy
。
[0033]
进一步的，步骤s12中，测量待测块体非晶合金样品接触区域的真实表面积a
*
包括如下步骤：
[0034]
s121：测量所述待测块体非晶合金样品在未经接触-分离循环的初态非晶合金的表面，并以最大扫描分辨率测出的表面结果作为所述待测块体非晶合金样品的初始平面形貌状态，记录此时所述待测块体非晶合金样品表面形貌单个像素点的高度值；
[0035]
s122：待测块体非晶合金样品接触区域的真实表面积a
*
为：
[0036][0037]
其中a*为待测块体非晶合金样品接触区域的真实表面积，a为对应理想光滑平面的表面积，c为afm参数，数值上等于单个最小表征尺寸的边长，u(h
x，y
)为阶跃函数，当h
x，y
＞0，u(h
x，y
)＝1，当h
x，y
≤0，u(h
x，y
)＝0。
[0038]
更进一步，步骤s13中，推导待测块体非晶合金样品接触区域的稳定表面积af，还包括如下步骤：
[0039]
s131：测量所述待测块体非晶合金样品在经过一次接触-分离后的非晶合金的平面形貌状态，记录此时所述待测块体非晶合金样品表面形貌状态单个像素点的高度值；
[0040]
s132：计算在经过一次接触-分离后的非晶合金的表面积a
*1
；
[0041]
s133：依次计算经过2次、5次、10次、20次、50次接触-分离循环后的非晶合金的表面积a
*2
，a
*5
，a
*10
，a
*20
，a
*50
等，接触-分离循环不限于50次，可按实际情况来定循环次数；拟合在经过csc次接触-分离循环之后的待测块体非晶合金样品接触区域的真实表面积；
[0042][0043]
其中，为拟合后的待测块体非晶合金样品接触区域的真实表面积。
[0044]
s134：根据上述演化规律，选取平衡段的为非晶合金表面稳定表面积af，对应
的接触-分离次数为f。
[0045]
在一些实施例中，所述步骤2中，临界保载时间t
l＝0
的计算过程如下：
[0046]
取两个待测块体非晶合金样品，将其上下排布且正对设置，使待测块体非晶合金样品处于真空环境下，达到预设的温度值t；
[0047]
控制上端的待测块体非晶合金样品向下运动，经过f次分离-接触循环后，调整外力l达到预设大小，保持该加载状态并维持t时长；
[0048]
控制上端的待测块体非晶合金样品以恒定应变速率向上运动，记录力-位移曲线，并根据所述力-位移曲线找出曲线一阶不连续的外力值大小，记下该状态条件下的分离力f；
[0049]
进行多次接触-分离循环实验，确定在相同温度条件下，分离力f与保载时间t和外力l之间的关系，根据所述关系，推导出当达到临界f
*
，并且外力l＝0时，对应的临界保载时间t
l＝0
。
[0050]
本技术中，所述真空室的真空环境为10-7
pa，所述冷却介质为液氮。
[0051]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0052]
1.本发明的测量装置可以改变环境仓温度，实现不同温度条件下非晶合金表面扩散系数的测量；
[0053]
2.本发明首次将非晶合金表面粗糙度引入模型，提高了扩散系数测量的精度；
[0054]
3.本发明通过力学试验机可以精准反应力和位移的关系，提高了测量的精度。
附图说明
[0055]
图1为现有技术中摩擦副材料对偶粘着系数的测试装置的结构示意图；
[0056]
图2为本发明实施例提供的一种在低温环境下测量块体非晶合金扩散系数的装置的结构示意图；
[0057]
图3为本发明实施例提供的一种非晶合金表面afm形貌图；
[0058]
图4为本发明实施例提供的非晶合金表面积随接触-分离循环次数的变化曲线图；
[0059]
图5为本发明实施例提供的非晶合金分离过程力-位移图；
[0060]
图6为本发明实施例提供的块体非晶合金cu
46
zr
46
al8在不同正压力和接触时间对应的分离力变化规律及拟合线性图。
具体实施方式
[0061]
以下通过实施例来进一步描述本发明，应该理解的是，这些实施例仅用于例证本发明的目的，决不限制本发明的范围。
[0062]
实施例1
[0063]
本发明为了实现不同温度段内块体非晶合金表面扩散系数的测量，提供了如下装置，其具体结构如图2所示。
[0064]
该在低温环境下测量块体非晶合金扩散系数的装置，包括，
[0065]
真空室8，该真空室8为该测量装置提供真空环境；
[0066]
环境仓5，环境仓5位于真空室8内部，其中，环境仓5顶部与真空室8相连通，底部连通设置有冷却介质通道6，根据冷却介质流速，提供环境仓5内不同的环境温度；
[0067]
激光缝隙检测装置4，位于环境仓5内，分别对称分布在待测块体非晶合金样品的两侧；
[0068]
调节机构3，该调节机构3位于环境仓5内，具有活动端，该调节机构用于控制对待测块体非晶合金样品之间应力的加载或卸载，并通过控制样品的位置实现应力的变化。
[0069]
其中，待测块体非晶合金样品设置为两个，且上下正对向排布。
[0070]
优选的一个方案是将激光缝隙检测装置4分别对称分布在两个待测块体非晶合金样品的接触面两侧。
[0071]
另外，调节机构3的活动端固定连接排布在上端的待测块体非晶合金样品1，通过调节机构3控制上端的待测块体非晶合金样品1的位置，实现两个待测块体非晶合金样品之间外力的加载或卸载；在本技术中，具体的，该调节机构3采用压力试验机，通过力学试验机可以精准反应力和位移的关系，提高了测量的精度。
[0072]
在本技术测量装置的环境仓5内，还设置有温度传感器7，通过温度传感器7可以感知环境仓5内的实际温度。
[0073]
该装置在使用时，为了实现不同的低温环境，可以利用低温传热介质(如液氮等)通过冷却介质通道6输入到环境仓5中，利用温度传感器7对温度进行检测。通过控制流速等参数实现不同的低温条件。其中，该冷却介质通道6可以设置为循环管道，有利于节约冷却介质，经济环保。
[0074]
实施例2
[0075]
本发明提供了一种在低温环境下测量块体非晶合金扩散系数的方法，应用实施例1提供的测量装置，采用如下步骤进行测量：
[0076]
1.制备2mm直径圆柱状待测块体非晶合金样品，将其表面打磨、抛光。
[0077]
2.待测块体非晶合金样品表面扩散系数的测量需要对其接触区域的表面积进行计算。本技术将表面粗糙度引入表面积模型，首先考虑未经接触-分离循环的初态非晶合金的表面。利用afm最大扫描分辨率测出该初始状态的表面形貌，得到未经接触-分离循环的初态非晶合金样品表面afm形貌图，如图3所示。
[0078]
其中，afm测量的最大扫描分辨率为256
×
256(5μm的范围对应的单位最小分辨的尺寸为19.5nm)，以图3中的单个像素点为该区域的高度值。以每个像素点的高度值，建立高度分布矩阵h
x，y
：
[0079][0080]
3.计算待测块体非晶合金样品表面未经接触-分离测试的真实表面积为：
[0081][0082]
其中a*为待测块体非晶合金样品接触区域的真实表面积，a为理想光滑平面的表面积，c为afm参数，数值上等于单个最小表征尺寸的边长(5μm的范围对应的单位最小分辨的尺寸为19.5nm)，u(h
x，y
)为阶跃函数，当h
x，y
＞0，u(h
x，y
)＝1，当h
x，y
≤0，u(h
x，y
)＝0。
[0083]
4.利用相同外力状态，对待测块体非晶合金样品进行多次接触-分离循环；统计不同接触-分离循环次数之后的表面积随接触-分离循环次数(contact-separation cycle，
csc)的变化图，如图4所示，经拟合，得到在经过csc次接触-分离循环处理之后的表面积：
[0084][0085]
其中，a和b为拟合常数。从图4可以看出，在经过一定的循环次数后，待测块体非晶合金样品的表面积趋于平衡，因此选取平衡段的表面积作为最终试样测试的稳定表面积af，记录对应接触-分离次数为f。
[0086]
5.将上端的待测块体非晶合金样品1固定在力学试验机的活动端上，下端的待测块体非晶合金样品2固定在另一端；
[0087]
6.抽真空至10-7
pa，通过控制冷却介质通道6内的液氮等介质的流速来调节温度，通过温度传感器7示数使得温度达到预设温度值t；
[0088]
7.控制力学试验机的活动端，带动上端的待测块体非晶合金样品1向下运动，接触-分离f次后，再次调节两样品之间的外力l达到预设大小；
[0089]
8.保持加载状态并维持t时长；
[0090]
9.开启激光缝隙检测装置4，控制力学试验机，以衡定准静态低应变速率向上运动，记录非晶合金分离过程力-位移曲线；如图5所示，找出一阶不连续的外力值(critical point，临界点)，记为该状态条件下的分离力f；
[0091]
10.多次实验，测试不同温度t，不同加载应力l和不同保载时间t对应的f；
[0092]
11.在相同温度条件下，得出分离力f与保载时间t和正应力l的关系：
[0093]
f＝f(t，l)
ꢀꢀ
(3)
[0094]
拟合上述关系，推导出如需要到达临界值f
*
，并且外加施加应力为0，即l＝0，对应的临界时间t
l＝0
；
[0095]
12.带入公式(4)，即可测量得到待测块体非晶合金样品的扩散系数。
[0096][0097]
利用上述提到的方法，测量块体非晶合金cu
46
zr
46
al8表面在正压力为78，85，110，160，200，250，300mn，接触时间为1，5，10，30，120min对应的分离力，结果如图6中a所示。
[0098]
选择24mn的分离力为临界值f
*
，将达到临界值f
*
所需的接触时间进行统计并进行拟合，如图6中b所示，可得：
[0099]
l
*
＝-1.67t
*
+316.67
ꢀꢀ
(5)
[0100]
其中，l
*
对应为临界外力，t
*
为临界接触时间。取l
*
为零，即为无施加外力，仅靠原子本身的运动而实现的表面的粘接，对应的时间为190min。根据步骤4得出的表面形貌演化模型：取af为块体非晶合金cu
46
zr
46
al8的表面积(3.28mm2)，因此可得扩散系数为：
[0101][0102]
其中，a为块体非晶合金cu
46
zr
46
al8接触区域的真实表面积，为l＝0对应的t
*
(190min)。由此可以推算块体非晶合金表面扩散系数为2.8
×
10-10
m2·
s-1
。
[0103]
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。