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宁波材料所等在非晶合金记忆效应产生机制研究中获进展

2020.10.19

　“老化”（ageing）是非晶/玻璃等非平衡态材料在能量驱动下的自然演化规律。高温退火可以加速非晶老化的速度，直至降低到平衡态。工业上，适当老化被广泛应用于提高非晶合金的软磁特性或提高光学玻璃的均匀性等。然而，1963年美国威斯康星麦迪逊大学教授Kovacs发现，非晶态材料如果经过先低温再高温两步退火过程，它的体积或焓不会单调“老化”，而是会先升高，之后再降低。这种反常的焓升高引起的“年轻化”（rejuvenation）现象被称为Kovacs记忆效应（memory effect）。记忆效应广泛存在于金属玻璃、高分子玻璃、氧化物玻璃、自旋玻璃，以及电子玻璃等玻璃态材料中；形状记忆合金、褶皱纸团、摩擦表面、复杂机械系统也均存在记忆效应。记忆效应与热力学非平衡状态相关，一旦材料或体系达到热平衡态，初态和历史的记忆将被彻底遗忘。然而，半个世纪以来，人们对记忆效应的理解仍局限于诸如TNM模型等唯象层面，对记忆效应的物理起源尚不清楚。

　　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团队博士宋丽建和副研究员许巍，在研究员霍军涛、王军强等的指导下，近年来围绕非晶合金的弛豫行为开展系统的研究，发现等温退火并不是传统认为的单一动力学过程，而是存在两步弛豫[Intermetallics 93, 101 (2018).]，并阐明两个弛豫过程对晶化和磁性的影响规律和机制[Acta Materialia 185, 38 (2020).，Physical Review Letters 2, 063601 (2018).]。

　　在此基础上，研究人员与美国威斯康星麦迪逊分校教授Ediger、燕山大学教授王利民和郑州大学教授李福山等合作[Physical Review Letters 125, 135501 (2020).]，使用高精度闪速差示扫描量热仪研究双步退火温度和时间对非晶合金记忆效应的影响，并基于绝对速率理论计算得到焓和激活熵在弛豫过程的演化。研究发现，只有当非晶合金焓进入深度弛豫阶段时（heavily-aged），记忆效应才会出现，这就像是一个人年老后会经常回忆年轻时候的事情。科研人员发现激活熵在记忆效应中具有重要作用：从低温跳向高温时，只有当高温退火阶段的激活熵比较大时，才会出现记忆效应；激活熵小，则无法探测到记忆效应。大的激活熵意味着的材料在弛豫过程中存在更多的演化路径，就像是一个人突然面对太多复杂的选择，会变得退缩。虽然这些结果是基于非晶合金这样的热激活无序体系发现的，但是由于熵的概念适用于所有的无序复杂系统，因此，相关结论对理解非热激活体系中的记忆效应也有帮助。