《金屬玻璃局域原子結構研究》是依託湖南大學，由范滄擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：金屬玻璃局域原子結構研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：范滄
- 依託單位：湖南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
當材料的晶粒尺寸被控制到納米級以至長程無序的非晶時，材料呈現出了其特殊的性能。如金屬玻璃呈現出接近理論值的高強度和直到屈服時的理想彈性應變等常規材料所不具備的高性能。此材料在玻璃轉變溫度（約其熔點的一半）時只需徐吸收極少的能量即完成固體到過冷液體的物理和力學性能的轉變。不同成分的金屬玻璃呈現極為不同的玻璃形成能力和結晶化過程。由於金屬玻璃不具有周期性單體晶胞，又非原子級無序，其結構之複雜超出多數高技術設備的分辨能力，所以至今尚無法從原子排列的角度深入理解玻璃形成能力。隨著近年來高強度中子衍射中心在美國國家實驗室的建立和發展，利用中子衍射對材料局域原子結構的研究也得到了迅速發展。申請人多年來在美國從事高強度中子衍射對材料局域原子結構的研究。利用此技術對金屬玻璃和其加熱結晶化過程的局域原子結構變化進行深入的研究，可更為本質地理解影響玻璃形成能力的因素，為開發此類新材料奠定更為堅實的理論基礎。
結題摘要
金屬玻璃以其獨特的原子結構 – 長程無序的類液體結構，以及獨特的物理、機械性能，一直是科學研究的重點之一。從金屬玻璃原子結構角度深入理解和解釋金屬玻璃的物理性能和力學性能，尤其是過冷液體轉變和伴隨的急劇的強度降低，相應的局域剪下帶變形到均勻超塑性變形的現象，需要對金屬玻璃的局域原子結構進行深入的研究。本項目利用中子衍射和高能同步輻射等先進技術對Zr基金屬玻璃局域原子結構進行了原位升溫的測試和深入的分析研究。局域原子結構分析數據表明自由體積在進入玻璃轉變和過冷區間時增速顯著加快。並發現金屬玻璃從室溫升溫時，其產生的局域原子結構內的由原子對得到平均微觀熱膨脹係數遠小於巨觀熱膨脹係數，當溫度高於玻璃轉變溫度後，該微觀熱膨脹加倍增加的現象。進一步的分析表明，當金屬玻璃進入過冷區時，超常短鍵連線團簇和自由體積同時相關增加。本研究進一步通過第一性原理分子動力學(AIMD)對局域原子結構進行了模擬計算。此研究有力地支持和進一步明確了作者提出的以過渡區為核心的含超常緊密鍵對團簇的非晶結構模型 - the tight-bond cluster model：團簇+過渡區+自由體積。團簇間的過渡連線區在玻璃轉變時吸熱發展成為自由體積，使得團簇被具有液體性質的自由體積包圍，因此伴隨相應的強度的急劇降低，及巨觀塑性的質的增加。團簇，過渡區和自由體積的局域熱膨脹的不同，導致局域微觀熱膨脹和巨觀熱膨脹的不同。在此基礎上，本項目還系統研究了不同成分的金屬玻璃從不同的熔融狀態快速冷卻後對其局域原子結構，非晶體的熱力學性能和金屬玻璃的玻璃形成能力的影響。除了成分的決定性影響外，結果分析表明，提高熔融急冷溫度可提高玻璃形成能力。其原因是由於熔融溫度對液體局域原子結構的影響。本項目的研究工作為金屬玻璃材料的進一步開發和研究進一步提供了有益的理論基礎。
