通過局域原子結構研究非晶結構中的過渡區和自由體積

《通過局域原子結構研究非晶結構中的過渡區和自由體積》是依託南京理工大學，由范滄擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：通過局域原子結構研究非晶結構中的過渡區和自由體積
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：范滄
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

進入二十一世紀以來，密堆原子團簇模型相繼誕生，此模型將非晶體合金的結構描述為密堆原子團簇的無序排列。團簇內原子有著其不同的原子排列。目前對金屬玻璃原子結構的研究主要集中於對團簇內部結構的研究。自由體積是金屬玻璃中的重要概念，廣泛用於解釋金屬玻璃的物理和力學性能。申請人在研究自由體積的基礎上，進一步提出了團簇間過渡區連線的概念。團簇間的過渡區和自由體積是決定金屬玻璃物理及力學性能，尤其是玻璃轉變及相應力學性能變化的關鍵。本申請項目採用先進的高強度中子散射和高能同步輻射技術獲得金屬玻璃的局域原子結構信息，以研究過渡區和自由體積為中心，通過第一原理分子動力學模擬計算，從定量的角度研究金屬玻璃模型中的定性的過渡區和自由體積的概念。深入研究金屬玻璃的局域原子結構，探索金屬玻璃原子結構的秘密，進一步深入理解其固體到過冷液體轉變的物理現象和相應力學性能變化的本質。為開發此類新材料奠定更為堅實的理論基礎。

結題摘要

金屬玻璃因其具有不同於晶體的結構和獨特的物理機械性能而受到廣泛的關注。材料巨觀物理和機械性能在很大程度上取決於其結構。具體的結構模型是獲得金屬玻璃結構細節的關鍵。之前研究項目中提出的含超常緊密鍵對團簇的非晶結構模型對金屬玻璃的一些巨觀的物理現象做出了定性的解釋，尤其是過冷液體轉變時伴隨急劇的強度降低，相應的局域剪下帶變形到均勻超塑性變形的現象。本項目通過結合中子衍射以及高能同步輻射實驗數據和第一性原理分子動力學以及經典分子動力學模擬數據，在上述模型的基礎上，對Zr基非晶合金快速冷卻過程進行了深入的研究，定量地解釋了過冷液體轉變時性能急劇變化的現象，並且進一步完善了該模型。研究發現，高能同步輻射實驗結構數據與第一性原理分子動力學模擬得到的數據吻合地較好。Zr基非晶合金在過冷液體狀態下快速冷卻時，合金的徑向分布函式的第一峰變得更窄更高，結構更加有序。通過分子動力學研究表明，在過冷液體轉變時，原子對之間的距離增大，部分的團簇原子對轉變為過渡區原子對，而同時也有過渡區原子對轉變為自由體積原子對。結果是團簇原子對的數量有明顯的減少，自由體積原子對有明顯的增加，導致高能量不穩定的自由體積區域明顯增多，最終導致強度和塑性的急劇變化。在此基礎上，本項目還通過分子動力學模擬研究了成分對於Zr基非晶合金性能的影響，結果表明在ZrCuAl三元合金中，隨著Zr成分的增加Cu成分的減少，會導致高配位多面體減少,二十面體結構形成更加困難，更多高能量團簇的形成，最終造成合金的玻璃形成能力和塑性降低。本項目的研究工作為金屬玻璃材料的進一步開發和研究提供了有益的理論基礎。