金屬玻璃局域原子結(jié)構(gòu)研究中文摘要

當(dāng)材料的晶粒尺寸被控制到納米級(jí)以至長(zhǎng)程無序的非晶時(shí)，材料呈現(xiàn)出了其特殊的性能。如金屬玻璃呈現(xiàn)出接近理論值的高強(qiáng)度和直到屈服時(shí)的理想彈性應(yīng)變等常規(guī)材料所不具備的高性能。此材料在玻璃轉(zhuǎn)變溫度（約其熔點(diǎn)的一半）時(shí)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(xué)性能的轉(zhuǎn)變。不同成分的金屬玻璃呈現(xiàn)極為不同的玻璃形成能力和結(jié)晶化過程。由于金屬玻璃不具有周期性單體晶胞，又非原子級(jí)無序，其結(jié)構(gòu)之復(fù)雜超出多數(shù)高技術(shù)設(shè)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(qiáng)度中子衍射中心在美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的建立和發(fā)展，利用中子衍射對(duì)材料局域原子結(jié)構(gòu)的研究也得到了迅速發(fā)展。申請(qǐng)人多年來在美國(guó)從事高強(qiáng)度中子衍射對(duì)材料局域原子結(jié)構(gòu)的研究。利用此技術(shù)對(duì)金屬玻璃和其加熱結(jié)晶化過程的局域原子結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行深入的研究，可更為本質(zhì)地理解影響玻璃形成能力的因素，為開發(fā)此類新材料奠定更為堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

金屬玻璃以其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu) – 長(zhǎng)程無序的類液體結(jié)構(gòu)，以及獨(dú)特的物理、機(jī)械性能，一直是科學(xué)研究的重點(diǎn)之一。從金屬玻璃原子結(jié)構(gòu)角度深入理解和解釋金屬玻璃的物理性能和力學(xué)性能，尤其是過冷液體轉(zhuǎn)變和伴隨的急劇的強(qiáng)度降低，相應(yīng)的局域剪切帶變形到均勻超塑性變形的現(xiàn)象，需要對(duì)金屬玻璃的局域原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的研究。本項(xiàng)目利用中子衍射和高能同步輻射等先進(jìn)技術(shù)對(duì)Zr基金屬玻璃局域原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原位升溫的測(cè)試和深入的分析研究。局域原子結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)表明自由體積在進(jìn)入玻璃轉(zhuǎn)變和過冷區(qū)間時(shí)增速顯著加快。并發(fā)現(xiàn)金屬玻璃從室溫升溫時(shí)，其產(chǎn)生的局域原子結(jié)構(gòu)內(nèi)的由原子對(duì)得到平均微觀熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于宏觀熱膨脹系數(shù)，當(dāng)溫度高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度后，該微觀熱膨脹加倍增加的現(xiàn)象。進(jìn)一步的分析表明，當(dāng)金屬玻璃進(jìn)入過冷區(qū)時(shí)，超常短鍵連接團(tuán)簇和自由體積同時(shí)相關(guān)增加。本研究進(jìn)一步通過第一性原理分子動(dòng)力學(xué)(AIMD)對(duì)局域原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬計(jì)算。此研究有力地支持和進(jìn)一步明確了作者提出的以過渡區(qū)為核心的含超常緊密鍵對(duì)團(tuán)簇的非晶結(jié)構(gòu)模型 - the tight-bond cluster model：團(tuán)簇 過渡區(qū) 自由體積。團(tuán)簇間的過渡連接區(qū)在玻璃轉(zhuǎn)變時(shí)吸熱發(fā)展成為自由體積，使得團(tuán)簇被具有液體性質(zhì)的自由體積包圍，因此伴隨相應(yīng)的強(qiáng)度的急劇降低，及宏觀塑性的質(zhì)的增加。團(tuán)簇，過渡區(qū)和自由體積的局域熱膨脹的不同，導(dǎo)致局域微觀熱膨脹和宏觀熱膨脹的不同。在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目還系統(tǒng)研究了不同成分的金屬玻璃從不同的熔融狀態(tài)快速冷卻后對(duì)其局域原子結(jié)構(gòu)，非晶體的熱力學(xué)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(jié)果分析表明，提高熔融急冷溫度可提高玻璃形成能力。其原因是由于熔融溫度對(duì)液體局域原子結(jié)構(gòu)的影響。本項(xiàng)目的研究工作為金屬玻璃材料的進(jìn)一步開發(fā)和研究進(jìn)一步提供了有益的理論基礎(chǔ)。

金屬玻璃材料的脆性本質(zhì)是基礎(chǔ)科學(xué)研究的前沿。金屬玻璃材料的力學(xué)性能與原子結(jié)構(gòu)有著緊密聯(lián)系。然而，在應(yīng)力作用下金屬玻璃材料中局域原子的變化規(guī)律到目前為止還并不是很清晰，人們依然不能回答剪切帶的原子結(jié)構(gòu)是什么,與基體材料原子結(jié)構(gòu)有何差異,剪切帶是如何產(chǎn)生和擴(kuò)展的，裂紋是如何在剪切帶上產(chǎn)生等問題。所以對(duì)金屬玻璃材料原子結(jié)構(gòu)的深入研究必將加深人們對(duì)這種先進(jìn)材料力學(xué)性能的理解，為了推進(jìn)這種先進(jìn)材料的工業(yè)化應(yīng)用。本項(xiàng)目擬將采用先進(jìn)同步輻射實(shí)驗(yàn)技術(shù)（原位拉伸X射線衍射、吸收譜和成像)和先進(jìn)理論計(jì)算與模擬方法（反蒙特卡羅、第一性原理和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)），系統(tǒng)地研究金屬玻璃在拉伸條件下原子電子結(jié)構(gòu)隨應(yīng)力的變化規(guī)律, 揭示金屬玻璃材料彈性極限與原子結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)系，闡述金屬玻璃材料中剪切帶的原子結(jié)構(gòu)以及形成和發(fā)展過程，揭示金屬玻璃材料的脆性本質(zhì)，研發(fā)出1-2種具有優(yōu)異綜合性能的新型金屬玻璃材料。

金屬玻璃材料的脆性本質(zhì)是基礎(chǔ)科學(xué)研究的前沿。金屬玻璃材料的力學(xué)性能與原子結(jié)構(gòu)有著緊密聯(lián)系。本項(xiàng)目利用先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)（例如同步輻射、電鏡等技術(shù)）和先進(jìn)理論計(jì)算模擬(反蒙特卡羅, 經(jīng)典和第一性原理MD, 第一性原理密度泛函理論)方法，研究了金屬玻璃的原子結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了金屬玻璃材料的塑性不僅對(duì)測(cè)試溫度非常敏感，而且在中溫區(qū)（約0.6倍玻璃轉(zhuǎn)變溫度）存在一個(gè)塑性極小值，在金屬玻璃材料中首次發(fā)現(xiàn)這種中溫脆性現(xiàn)象，它不同于從低溫到高溫材料發(fā)生脆性到韌性轉(zhuǎn)變的傳統(tǒng)認(rèn)知。深入研究了樣品尺寸大小、拉/壓應(yīng)力狀態(tài)、變形速率、變形溫度對(duì)金屬玻璃發(fā)生從局域變形模式到非局域變形模式的轉(zhuǎn)變的影響，揭示金屬玻璃薄膜材料室溫下呈現(xiàn)出超大彈性應(yīng)變極限的原子機(jī)理、剪切帶原子結(jié)構(gòu)和變形行為。 2100433B

無序物質(zhì)構(gòu)型變化是基礎(chǔ)科學(xué)研究的前沿。壓力可以改變物質(zhì)內(nèi)部的原子和電子結(jié)構(gòu)，并進(jìn)而改變物質(zhì)的電子狀態(tài)和物理化學(xué)性能，同時(shí)也能幫助人們深入認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性能及其變化規(guī)律。壓力下無序物質(zhì)構(gòu)型變化的研究對(duì)新型防御武器材料國(guó)防技術(shù)發(fā)展具有重要意義。近期高壓誘導(dǎo)含f電子無序合金非晶多形態(tài)相變已被發(fā)現(xiàn)，4f電子在高壓下的非局域化轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致了材料中鍵長(zhǎng)和體積的塌縮而引發(fā)了新型無序合金非晶多形態(tài)相變。到目前為止，在不含f電子無序合金體系是否存在類似非晶多形態(tài)相變剛剛開始，其機(jī)理尚不清楚。本項(xiàng)目擬將采用先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)（原位同步輻射X射線衍射、吸收譜)和先進(jìn)理論計(jì)算與模擬方法（反蒙特卡羅、第一性原理和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)），系統(tǒng)地研究無序合金體系(不含f電子)原子電子結(jié)構(gòu)隨壓力的變化規(guī)律,從原子和電子結(jié)構(gòu)兩方面揭示不含f電子無序合金中非晶態(tài)相變的機(jī)理。