金屬液體和玻璃結(jié)構(gòu)演化及熱動力學(xué)性質(zhì)的實驗和理論研究.pdf

1、金屬液體和金屬玻璃的結(jié)構(gòu)演化及其熱動力學(xué)性質(zhì)一直以來都是材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的研究熱點。金屬液體常被詮釋為均質(zhì)單一相，在連續(xù)冷卻過程中，經(jīng)歷平衡凝固過程可以形成結(jié)構(gòu)規(guī)則排列的金屬晶體；而快速冷卻則越過平衡凝固過程形成具有長程無序短程有序的金屬玻璃。通過對金屬液體結(jié)構(gòu)的深入研究發(fā)現(xiàn)，一些特殊的金屬液體，如金屬鈰和非晶形成合金的熔體，在液體區(qū)域確實存在著液液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。并且金屬玻璃的微觀結(jié)構(gòu)是揭示其優(yōu)異性能的基礎(chǔ)。因此，不管從基礎(chǔ)科學(xué)研

2、究角度還是工業(yè)應(yīng)用方面來說，細(xì)致研究金屬液體和玻璃的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)變和熱動力學(xué)方面的性質(zhì)都有著極其重要的意義。本文圍繞著金屬液體、金屬玻璃結(jié)構(gòu)及其演化過程和熱動力學(xué)性質(zhì)，以富Al區(qū)不同成分Al-Cu合金液體結(jié)構(gòu)分析入手，深入比較Al2Au、Al2Ag和Al2Cu合金液體結(jié)構(gòu)的差異，探索金屬Ga液體高溫區(qū)域液液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變機(jī)理和AgGe合金液態(tài)和玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性；緊密結(jié)合同步輻射實驗和從頭算分子動力學(xué)模擬，通過對體系的對分布函數(shù)、結(jié)構(gòu)因子、鍵對分析

3、、配位數(shù)、均方位移和擴(kuò)散系數(shù)、Voronoi多面體團(tuán)簇、原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)校正和鍵取向序等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴選取富Al區(qū)不同成分Al-Cu合金為研究對象，通過同步輻射X射線衍射方法和靜電懸浮實驗，結(jié)合從頭算分子動力學(xué)模擬，比較研究Al93Cu7、Al87Cu13、Al82Cu18、Al80Cu20、Al77Cu23、Al75Cu25、Al73Cu27和Al70Cu30合金液體從高溫快速冷卻的整個過程，詳細(xì)分析它

4、們結(jié)構(gòu)及其演化和熱動力學(xué)性質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：從頭算分子動力學(xué)模擬得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)與同步輻射X射線衍射方法和靜電懸浮實驗得到的結(jié)果高度吻合，有效驗證了基于實驗和模擬方法作結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性；以Al75Cu25合金液體為例，熔體比熱和密度在1600 K到800 K的溫度區(qū)間內(nèi)呈線性變化，在此溫度區(qū)間并沒有觀察到液液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變存在；合金液體局域結(jié)構(gòu)在降溫過程中逐漸演化沒有出現(xiàn)突變；以<0,2,8,1>、<0,2,8,2>、<0,3,6,3>和<0,3,

5、6,4>為代表的大配位團(tuán)簇主導(dǎo)整個過冷液態(tài)溫度區(qū)間；富Al區(qū)不同成分Al-Cu合金局域鍵取向有序分布顯示在降溫過程中局域原子排列都趨近于Al2Cu晶體結(jié)構(gòu)，表明Al-Cu共晶成分附近合金液體中有類Al2Cu先驅(qū)相結(jié)構(gòu)存在；（iv）隨著富Al區(qū)Cu含量的增加，Al-Cu合金液體中Al和Cu原子自擴(kuò)散系數(shù)偏離常規(guī)阿侖尼烏斯關(guān)系，該現(xiàn)象歸結(jié)于液體局域原子排列有序化程度增高；Cu原子更傾向于與Al原子結(jié)合，在局域原子排列中形成類Al2Cu晶體結(jié)

6、構(gòu)，使得體系擴(kuò)散激活能增大，亞共晶、共晶和過共晶成分液體局域結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)差異，從而解釋該體系偏離阿侖尼烏斯關(guān)系的動力學(xué)行為。⑵基于同組元不同成分二元合金液體結(jié)構(gòu)研究，選取Al2Au、Al2Ag和Al2Cu為研究對象，研究了同族元素Au、Ag和Cu與元素Al合金化局域原子結(jié)構(gòu)的異同。發(fā)現(xiàn)：以高熔點Al2Au合金為例，類二十面體團(tuán)簇在Al2Au合金液體中占比低于15％，不占據(jù)優(yōu)勢地位，從而揭示了類二十面體團(tuán)簇不以主導(dǎo)地位存在于所有的液態(tài)結(jié)構(gòu)中

7、，而且該結(jié)構(gòu)并不是維持液態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的必備因素；Al2Au合金液體具有低配位結(jié)構(gòu)的團(tuán)簇，與CaF2類型的Al2Au晶體相結(jié)構(gòu)相近；這表明高溫液體結(jié)構(gòu)在凝固結(jié)晶過程中將局域原子排列遺傳給晶體相結(jié)構(gòu)；（iii） Al2Ag和 Al2Cu合金液體結(jié)構(gòu)分析顯示，兩種液體在加溫過程中整體體積膨脹，而第一近鄰原子間距相應(yīng)減小；Cu與Al相互作用更加緊密，Cu原子傾向于進(jìn)入以Al原子中心的團(tuán)簇，形成類Al2Cu晶體有序結(jié)構(gòu)；而Ag與Al存在競爭關(guān)系，A

8、g原子為中心的團(tuán)簇更能吸引Ag的進(jìn)入，類AlAg2和類Al晶體結(jié)構(gòu)并存， Ag和Al有著更小擴(kuò)散激活能，更容易在液體內(nèi)遷移，從而使得液體局域結(jié)構(gòu)非均勻化，側(cè)面印證了Al2Ag成分合金的共晶特性和晶體結(jié)構(gòu)的不易形成。⑶探索金屬Ga液體高溫區(qū)液液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和AgGe合金液態(tài)及玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性。實驗和理論模擬研究金屬 Ga液體在較大溫度區(qū)間（400到1373 K）內(nèi)結(jié)構(gòu)演化，證實兩種不同結(jié)構(gòu)液態(tài)區(qū)域的存在：一種液態(tài)結(jié)構(gòu)區(qū)域具有較大擴(kuò)散激活能，其