前沿 2020-03-03 14:03

美国布鲁克海文国家实验室揭示金的熔化机理

徐冬翔 摘自 美国布鲁克海文国家实验室网站

【据美国布鲁克海文国家实验室2020年3月2日报道】通过捕捉多晶金薄膜在激光诱导下随时间发生的结构变化,科学家证实了熔化过程不是均匀发生的,这一发现可能对精密零件的激光微加工产生影响。

如果对固体材料充分加热,那么热能会导致该材料的分子相互分离,从而形成液体。尽管熔化是物质的一个基本物理过程,但由于以前的研究能力缺乏足够的时间分辨率,科学家们始终无法完全理解其在微观层面下的工作原理。

在过去的十年中,X射线自由电子激光器(XFEL)的出现使得对熔化机理及其他超快原子尺度动力学的研究成为可能。这种仪器使用自由电子在X射线能量区域产生飞秒级的(一千万亿分之一秒)光脉冲,与X射线同步加速器相比,XFEL的X射线脉冲具有更短的持续时间和更高的强度。

近日,一支国际科学家团队使用浦项加速器实验室的XFEL设备监控了纳米厚度金薄膜的熔化过程,该薄膜由众多不同取向的极细晶体组成。他们使用超短X射线脉冲(“探针”)监控飞秒激光(“泵”)激发多晶金薄膜后产生的导致熔化的结构变化。当X射线脉冲撞击金时,X射线束会根据材料晶体结构特征产生衍射图像。通过收集皮秒级(一万亿分之一秒)不同“泵-探针”时间延迟的X射线衍射图像,研究人员可以在金薄膜开始熔化和熔化过程中对其拍摄“快照”。衍射图像随时间的变化揭示了晶体无序的动力学。研究人员选择金的原因在于其能极其强烈地衍射X射线,并具有明确的固-液过渡。

X射线衍射图像表明熔化不是均匀发生的,可能起源于不同取向晶粒相交的界面(晶界),随后传播到晶粒内部,换言之,晶界先于其他部位发生熔化。但在XEFL之前,该过程中熔化与时间的公式关系是未知的。研究人员表示,对于航空航天、汽车制造和其他行业中精密零件的微加工,激光诱导熔化的机理至关重要,激光耦合到材料的方式因激光脉冲的持续时间而异。例如,在打孔等整齐切割方面,飞秒激光的超短脉冲比纳秒激光的超长脉冲的表现要好。

该项实验中,研究人员首先在美国布鲁克海文的功能纳米材料中心(CFN)制造了厚度不同的薄膜(50、100和300纳米)。他们在CFN纳米制造工厂中进行了电子束蒸发,这是一种沉淀技术,利用电子将所需的材料凝聚在基板上。该工厂的超净环境使他们能够在较大的样品区域上形成厚度均匀的金薄膜。

在浦项XFEL实验室,研究人员在一系列激光功率水平上对这些金薄膜进行了时间分辨的X射线衍射,随后通过布鲁克海文实验室开发的软件对检测器收集到的多达数TB的衍射图像数据进行分析,最后使用哥伦比亚工程公司开发的软件将这些图像转换为线性图。

该图显示了一个双峰,对应一个正在熔化的热区域,和一个尚未接收到熔化能的相对冷的区域。通过电子耦合,热量到达晶粒边界,然后传导到晶粒中。热量的吸收导致一个材料熔融带在两个移动的熔体前沿(固-熔融、熔融-液)间形成,随着时间的增加,熔融带逐渐增大。

接下来,该团队计划通过减小晶粒尺寸(从而增加晶界数量)来证实这种双前沿模型,从而对熔化机制进行彻底研究。由于熔化是以相对较慢的速度横穿晶粒(30米/秒),横穿大晶粒会需要比设备计时能力(500皮秒)更长的时间。该团队还计划研究其他材料的熔化机制。

布鲁克海文国家实验室受到了美国能源部科学办公室的支持,其他合作机构包括伦敦大学学院,西江大学和浦项科技大学。

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