国际知名学术期刊刊文：非晶合金可以燃烧吗？

非晶合金由于无序原子堆垛结构而显示的高强度、高弹度和耐腐蚀性能一直成为材料领域的研究热点。如果要把非晶合金的应用进一步扩展到新领域，可能会遇到一个有趣的问题：非晶合金可以燃烧吗？

为了回答这一科学问题，北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平教授团队选择具有较大非晶形成能力且成分简单的Zr基块体非晶合金作为研究对象，开展实验和理论研究，揭示了非晶合金的燃烧机制。国际腐蚀领域知名学术期刊Corrosion Science于2022年6月2日以“Combustion behavior and mechanism of Cu₄₆Zr₄₆Al₈ bulk metallic glass in oxygen-enriched environments”为题在线刊发了他们的研究结果。

材料学家们首先选定Cu₄₆Zr₄₆Al₈非晶合金和相同成分的晶体合金，在专门燃烧实验装置中，精心设计了不同氧压条件下的自然中断和强行中断的燃烧实验。通过观察，记录燃烧现象，同时对搜集到的所有烟尘、熔滴、灰烬和残渣等燃烧产物进行XRD、TEM和SEM/EDS实验分析，还原了非晶合金与晶体合金的燃烧过程和不同。

研究将非晶合金的燃烧过程分为初始点燃和稳定燃烧两个阶段。在初始点燃阶段，通过引燃物要达到自持热化学反应条件，即合金发生局部熔化而形成初始熔池，由于熔化的金属成分在富氧环境下与氧发生反应放热，这一放热过程加剧了熔池湍流，使熔池表面的氧化层破裂，加速了氧向熔池中的扩散，从而导致熔池升温到燃烧门槛温度，当燃烧放热和熔体吸热达到平衡时就进入了稳定燃烧阶段，直到燃烧怠尽。在稳定燃烧阶段，非晶合金中的Zr和Al元素在高温熔池表面气化，因此稳定燃烧有液相燃烧和气相燃烧的两种模式。而燃烧模式则由合金元素和氧化物熔点和沸点差异来决定。当氧化物的沸点高于纯元素的沸点时，就会发生气相燃烧，反之，当元素的熔点低时则发生液相燃烧。而对于Zr基非晶来说，由于合金中铝的沸点远远低于氧化铝的沸点，因此是气相燃烧模式。

进一步地，研究人员通过一种实时精密测量系统，测定了在稳定燃烧时熔池形成熔滴而滴落的时间、熔滴质量等重要数据，计算了燃烧速率，还对氧压对燃烧的影响进行了分析。通过与同一成分的晶体合金实时燃烧行为以及燃烧热力学和动力学效应进行对比，发现Zr基非晶合金燃烧与燃烧过程中吸氧速率和氧化物行为以及氧压门槛值密切相关，吸氧速率随着氧压增大而与氧压呈指数、线性和稳态三个阶段，而且Zr基非晶合金相比晶体合金具有更低的氧压门槛值和更低的燃烧激活能，表明相对于相同成分的晶体合金，Zr基非晶合金更易燃，同时具有更高的燃烧热值和更快的燃烧速度。

研究人员的这些发现有助于拓展非晶合金在航空航天等应用领域，同时为提高现有特定组分固体推进剂和燃烧剂等含能材料的释能性能提供了新的思路，即：在不改变现有传统Mg基和Al基合金的含能材料合金成分的情况，可进一步提高体积能量密度和能量释放速率。

论文的第一作者是来自北京科技大学新金属材料国家重点实验室的博士生喻嘉彬，吕昭平教授团队成员王辉博士为通讯作者，研究工作得到国家自然科学基金委员会的资助。

论文详见https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110415

经过计算的同一成分的Zr基非晶合金和晶体合金的燃烧激活能

a)实时测量的燃烧过程中的质量变化；b)实时测量的燃烧液滴在不同氧压下的质量。

a)氧压与合金合金燃烧长度的关系；b)氧压门槛值与燃烧长度的关系；c)非晶合金和晶体合金的的能量示意图。