块体金属玻璃的低温比热研究

摘要

金属玻璃是一类原子排列不具有长程有序性、但在几个原子间距范围内仍呈现出一定短程或中程有序性的非晶材料，这种独特原子结构导致其具有优异的力学、化学和磁学等性能。比热能反映诸如局域简谐振动、原子团簇等的无序原子结构特征，与相变、低能激发、原子振动以及电子运动等性质息息相关；在低温时，原子振动微弱，其它子系统的比热贡献显得突出，因此，低温比热是研究物质微观现象的重要参量。本文利用铜模铸造法制备 Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5和(Fe0.5Co0.5)72B20Si4Nb4块体金属玻璃，利用DSC、XRD、PPMS等测试手段深入研究该两类合金的低温比热，探索其微观结构与低温热性能的内在联系。研究工作主要包括：
　　(1)研究了晶化对金属玻璃 Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5低温比热的影响。实验发现同一成分和温度下金属玻璃的低温比热比对应晶态合金的大，并且两者均随温度升高呈上升趋势；同时发现比热Cp/T3在1-20 K区间存在玻色峰现象。研究揭示德拜模和爱因斯坦模的共存，引入局域简谐模初步解释了玻色峰现象；
　　(2)研究了退火对金属玻璃(Fe0.5Co0.5)72B20Si4Nb4微观结构及低温比热的影响。研究发现，热处理不但影响 DSC曲线中的放热峰高度，而且影响比热曲线中的玻色峰高度，即等温退火使金属玻璃的低温比热峰(玻色峰)高度变低、宽度变宽。其原因在于等温退火使金属玻璃中自由体积湮灭，从而改变金属玻璃连续弹性介质的性质，引起玻色峰变化。进一步分析比热得出金属玻璃中存在两种爱因斯坦模，晶态合金中仅存在一种爱因斯坦模。利用金属玻璃“笼”状结构中类似“铃铛”的松散原子振动诱发的局域简谐模很好地解释了玻色峰现象；
　　(3)对照晶体比热模型建立了金属玻璃的低温比热模型，并分析两者的异同。利用14种不同金属玻璃的低温比热证实该模型的正确性及普适性；同时发现金属玻璃电子项系数γ比其晶态时的大，声子项系数δ随退火温度的升高而降低；利用电子态密度、金属玻璃的微观结构及声子态密度解释了此变化规律。

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变量注释表

1 绪论

1.1概述 (Introduction)

1.2金属玻璃的研究与应用现状 (Researchs and Applications of Metallic Glasses)

1.3金属玻璃的形成机理 (Formation Mechanism of Metallic Glasses)

1.4金属玻璃的低温物理性能 (Physical Properties of Metallic Glasses in Low Temperature)

1.5本课题研究内容与意义 (Content and Significance of this Study)

2 实验方法

2.1样品制备 (Sample Preparation)

2.2物理性能研究 (Research of Physical Properties)

2.3实验设计流程 (Design of Experiment Procedure)

3 Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5块体金属玻璃的低温比热

3.1引言 (Introduction)

3.2 Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5金属玻璃的结构与热学性能 (Structure and Thermal Properties of Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5 Metallic Glass)

3.3 Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5金属玻璃的低温热特性 (Thermal Properties of Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5 Metallic Glass in Low Temperature)

3.4 Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5金属玻璃的低温玻色峰 (Boson Peak of Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5 Metallic Glass in Low Temperature)

3.5本章小结 (Summary)

4 (Fe0.5Co0.5)72B20Si4Nb4块体金属玻璃的低温比热

4.1引言 (Introduction)

4.2 (Fe0.5Co0.5)72B20Si4Nb4金属玻璃的结构与热学性能 (Structure and Thermal Properties of (Fe0.5Co0.5)72B20Si4Nb4 Metallic Glass)

4.3 (Fe0.5Co0.5)72B20Si4Nb4金属玻璃的低温热特性 (Thermal Properties of (Fe0.5Co0.5)72B20Si4Nb4 Metallic Glass in Low Temperature)

4.4 (Fe0.5Co0.5)72B20Si4Nb4金属玻璃的低温玻色峰 (Boson Peak of (Fe0.5Co0.5)72B20Si4Nb4 Metallic Glass in Low Temperature)

4.5本章小结 (Summary)

5 块体金属玻璃的低温比热模型

5.1引言 (Introduction)

5.2固体的低温比热模型 (The Low Temperature Specific Heat Model of Solids)

5.3实验与讨论 (Experiment and Discussion)

5.4本章小结 (Summary)

6 结论

参考文献

作者简历

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