软磁性金属玻璃的重离子辐照效应研究

Metallic glass (amorphous alloy) is a type of new alloy material of both metal and glass characteristics, with excellent mechanical, physical and chemical properties. Therefore, it has very broad application prospects in military and economic fields. Optimization and modification of these materials’ performance then will greatly accelerate the development and application of the functional materials of bulk metallic glass. Out of the development needs of the new metallic glass materials, and focusing on two important unresolved scientific issues of metallic glass transition (relaxation) behavior as well as deformation mechanisms, our project carries out the study of heavy ion irradiation on soft magnetic metallic glass relying on HIRFL (a national big science project of China), with FeZrNbSiB and ZrAlNiCu bulk metallic glass of good magnetic and mechanical properties being objects investigated and high-energy ion beam as the main tool. It is expected that the materials’ microstructures and the property variations along with heavy ion irradiation parameter changes will be fully revealed, which can not only provide important scientific basis for the evaluation, design, modification and representation of advanced materials in China, but also effectively enhance our research level in basic research fields of metallic glass formation mechanisms, interactions between ion and solid, etc.

金属玻璃（非晶合金）是一类兼具金属和玻璃特性，具有优异力学、物理和化学性能的新型合金材料，其在军事、经济领域有着非常广阔的应用前景，评价、优化和改性这类材料的性能，对于加快我国大块金属玻璃功能材料的研发和应用都有着巨大的推动作用。本项目根据新型金属玻璃材料的开发需求，针对尚未解决的金属玻璃转变（弛豫）行为以及形变机制这两个重要科学问题，选择磁、力学性能较好的FeZrNbSiB和ZrAlNiCu大块金属玻璃为研究对象，以我国大科学工程HIRFL为依托，以高能离子束为主要工具，开展重离子辐照软磁性金属玻璃的研究。期望通过努力，掌握这类材料的微观结构和物性随重离子辐照参数的变化规律，这不仅能为我国在先进材料的评价、设计、改性和表征方面提供重要的科学依据，还将有效提升我国在金属玻璃形成和塑性形变机制、离子与固体相互作用等基础领域的研究水平。

本项目依托于兰州重离子加速器国家实验室HIRFL及320 kV辐照平台提供的高、中、低能重离子束（Kr、Ar、Xe、Fe、He等）对金属玻璃（非晶合金）这类兼具金属和玻璃特性、有着广阔应用前景的功能材料进行了系列重离子辐照实验，完成了项目计划书所列的研究内容，达到了预期研究目标，取得了系列研究成果，为我国在金属玻璃这类先进材料的辐照损伤评价、设计、改性和表征方面提供了部分数据支持和实验技术参考，推进了我国在快重离子在固体材料（晶体和金属玻璃）中的能量沉积过程和辐照损伤机制的研究水平。（研究了辐照参数对于金属玻璃材料的微观结构、各向异性、磁、力学等性能的变化规律，表征、评价和改性了FeZrNbSiB非晶薄带和ZrAlNiCu大块金属玻璃材料；通过实验和理论模拟，系统研究了快重离子在固体材料（晶体和金属玻璃）中的能量沉积过程和损伤机制，首次得到了在电子能损与势能沉积两种机制协同作用下，重离子在表面形成纳米结构的总能量沉积阈值、势能沉积深度、沉积效率等关系；利用扩展到三维的热峰模型验证了实验结果，成功地解释了阈值的存在和势能沉积深度区域。首次实验建立了材料表面损伤过程中电子能损与势能沉积两种机制的协同作用效应，统一了对两种不同能区和作用机制的物理认识，拓宽和加深了离子与物质相互作用中的电子转移和能量损失的相关研究。相关研究内容获邀在各类国际学术会议上做大会邀请报告1次，口头报告3次，在国际期刊上发表了12篇相关学术论文，目前已被引用9篇43次。）