金屬液體和玻璃結(jié)構(gòu)演化及熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)性質(zhì)一直以來(lái)都是材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。金屬液體常被詮釋為均質(zhì)單一相，在連續(xù)冷卻過(guò)程中，經(jīng)歷平衡凝固過(guò)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(guò)平衡凝固過(guò)程形成具有長(zhǎng)程無(wú)序短程有序的金屬玻璃。通過(guò)對(duì)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(shí)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(lái)說(shuō)，細(xì)致研究金屬液體和玻璃的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)變和熱動(dòng)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(guò)程和熱動(dòng)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(shí)驗(yàn)和從頭算分子動(dòng)力學(xué)模擬，通過(guò)對(duì)體系的對(duì)分布函數(shù)、結(jié)構(gòu)因子、鍵對(duì)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(duì)象，通過(guò)同步輻射X射線衍射方法和靜電懸浮實(shí)驗(yàn)，結(jié)合從頭算分子動(dòng)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(gè)過(guò)程，詳細(xì)分析它

4、們結(jié)構(gòu)及其演化和熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：從頭算分子動(dòng)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(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果高度吻合，有效驗(yàn)證了基于實(shí)驗(yàn)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(méi)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(guò)程中逐漸演化沒(méi)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(gè)過(guò)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(guò)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(guò)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(dòng)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(duì)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(diǎn)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(shì)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(guò)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(guò)程中整體體積膨脹，而第一近鄰原子間距相應(yīng)減??；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(jìng)爭(zhēng)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(shí)驗(yàn)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(shí)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