非晶合金作为软磁材料在配电变压器、电机和电感器等领域具有广阔的应用前景。然而，熔体快速降温制备非晶合金属于非平衡过程，使得非晶合金内部存在很高的内应力；条带加工成器件的过程也会导致外应力。由于磁弹相互作用，应力的存在使得非晶合金的磁畴壁运动变得更加困难，软磁性能下降，比如磁导率下降、矫顽力上升。一般通过原子弛豫在玻璃转变温度附近退火可以释放应力降低能量，从而提高软磁性能。寻找最优化退火条件以实现快速、有效地释放应力降低能量状态是推动非晶合金应用的关键技术问题。

        美国威斯康辛-麦迪逊大学的Ediger教授于2007年发现利用气相沉积法可以制备出具有超低能量状态的非晶态材料。如果通过普通退火弛豫的方法获得这么低的能量状态可能需要上百年，因此又把这种材料称为超稳非晶态材料或超稳玻璃。我们之前的研究发现，利用磁控溅射方法制备的非晶合金薄膜也可以达到很低的能量状态，同时具有更高的玻璃-液体转变温度，有利于其在更高温度下使用；由于低能量状态和微结构的变化，这种超稳非晶合金晶化时晶体的生长速率更慢，有利于形成更多晶核，为制备具有更加优异性能的纳米晶材料提供了新思路[J.Q. Wang, et al. Acta Mater 79, 30 (2014).]。

        气相沉积法可以制备具有超低能量状态的非晶合金，但是这种方法制备的材料都是薄膜样品，其应用受到限制。如何获得低能量状态的由液体冷却法制备的条带或块体非晶合金，对提高非晶合金性能，推动其应用具有更加现实的意义。磁材事业部软磁团队的王军强等与美国威斯康星-麦迪逊大学的Ediger教授和Perepezko院士合作，通过模仿气相沉积过程中衬底温度和沉积速度的影响，系统研究了液体冷却法制备的金基非晶合金的能量状态在不同退火温度和退火时间下的演化规律[J.Q. Wang, et al. Acta Mater 104,25 (2016).]。我们发现：（1）制备低能量状态非晶合金存在最优化的退火条件：给定退火时间，有一个最优化的退火温度，温度太高或太低效果都不好。对于本工作研究的金基非晶合金模型体系，最优化退火温度（Ta）与退火时间（ta）的关系为：Ta = 274+ 132/log(ta)，见图一&图二。（2）退火过程中非晶合金经历了三个状态：非平衡状态（玻璃态）、亚稳平衡态（过冷液体态）、晶化过程，见图二。（3）发现非晶合金的热力学稳定性（与能量状态成反比）与动力学稳定性（与玻璃-液体转变温度成正比）之间的非线性关系：beta弛豫使热力学稳定性升高的同时，动力学稳定性降低；而alpha弛豫使热力学稳定性升高的同时动力学稳定性也升高，见图三。

        这些研究结果有助于人们深刻理解非晶态材料弛豫行为，并为改善软磁非晶合金工业化生产退火工艺提供了理论指导。

  图一、（a）非晶合金能量状态（焓）降低与退火温度的关系。（b）非晶合金能量状态随着退火时间的降低规律。（c）充分弛豫的非晶合金能量状态达到了过冷液体的延长线上。

图二、非晶合金的能量状态（焓）随着退火温度和退火时间的演化二维等高线图。从红色到蓝色相邻等高线代表50 J/mol的能量降低。从左下到右上可以分为三个区域：非平衡态（玻璃）、亚稳平衡态（过冷液体）、晶化过程。虚线代表了制备低能量状态非晶合金的最优化退火条件。

图三、不同温度退火时，玻璃-液体转变温度（Tg,h）随着焓（DH）的降低的关系。

（中科院宁波材料所王军强研究员供稿）