金属液体和玻璃结构演化及热动力学性质的实验和理论研究

摘要

金属液体和金属玻璃的结构演化及其热动力学性质一直以来都是材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。金属液体常被诠释为均质单一相，在连续冷却过程中，经历平衡凝固过程可以形成结构规则排列的金属晶体；而快速冷却则越过平衡凝固过程形成具有长程无序短程有序的金属玻璃。通过对金属液体结构的深入研究发现，一些特殊的金属液体，如金属铈和非晶形成合金的熔体，在液体区域确实存在着液液结构转变。并且金属玻璃的微观结构是揭示其优异性能的基础。因此，不管从基础科学研究角度还是工业应用方面来说，细致研究金属液体和玻璃的结构及转变和热动力学方面的性质都有着极其重要的意义。本文围绕着金属液体、金属玻璃结构及其演化过程和热动力学性质，以富Al区不同成分Al-Cu合金液体结构分析入手，深入比较Al2Au、Al2Ag和Al2Cu合金液体结构的差异，探索金属Ga液体高温区域液液结构转变机理和AgGe合金液态和玻璃态结构关联性；紧密结合同步辐射实验和从头算分子动力学模拟，通过对体系的对分布函数、结构因子、键对分析、配位数、均方位移和扩散系数、Voronoi多面体团簇、原子团簇结构校正和键取向序等结构参数进行分析
　　本研究主要内容包括：⑴选取富Al区不同成分Al-Cu合金为研究对象，通过同步辐射X射线衍射方法和静电悬浮实验，结合从头算分子动力学模拟，比较研究Al93Cu7、Al87Cu13、Al82Cu18、Al80Cu20、Al77Cu23、Al75Cu25、Al73Cu27和Al70Cu30合金液体从高温快速冷却的整个过程，详细分析它们结构及其演化和热动力学性质。结果发现：从头算分子动力学模拟得到的结构参数与同步辐射X射线衍射方法和静电悬浮实验得到的结果高度吻合，有效验证了基于实验和模拟方法作结构分析的准确性；以Al75Cu25合金液体为例，熔体比热和密度在1600 K到800 K的温度区间内呈线性变化，在此温度区间并没有观察到液液结构转变存在；合金液体局域结构在降温过程中逐渐演化没有出现突变；以<0,2,8,1>、<0,2,8,2>、<0,3,6,3>和<0,3,6,4>为代表的大配位团簇主导整个过冷液态温度区间；富Al区不同成分Al-Cu合金局域键取向有序分布显示在降温过程中局域原子排列都趋近于Al2Cu晶体结构，表明Al-Cu共晶成分附近合金液体中有类Al2Cu先驱相结构存在；（iv）随着富Al区Cu含量的增加，Al-Cu合金液体中Al和Cu原子自扩散系数偏离常规阿仑尼乌斯关系，该现象归结于液体局域原子排列有序化程度增高；Cu原子更倾向于与Al原子结合，在局域原子排列中形成类Al2Cu晶体结构，使得体系扩散激活能增大，亚共晶、共晶和过共晶成分液体局域结构中出现差异，从而解释该体系偏离阿仑尼乌斯关系的动力学行为。⑵基于同组元不同成分二元合金液体结构研究，选取Al2Au、Al2Ag和Al2Cu为研究对象，研究了同族元素Au、Ag和Cu与元素Al合金化局域原子结构的异同。发现：以高熔点Al2Au合金为例，类二十面体团簇在Al2Au合金液体中占比低于15％，不占据优势地位，从而揭示了类二十面体团簇不以主导地位存在于所有的液态结构中，而且该结构并不是维持液态结构稳定的必备因素；Al2Au合金液体具有低配位结构的团簇，与CaF2类型的Al2Au晶体相结构相近；这表明高温液体结构在凝固结晶过程中将局域原子排列遗传给晶体相结构；（iii） Al2Ag和 Al2Cu合金液体结构分析显示，两种液体在加温过程中整体体积膨胀，而第一近邻原子间距相应减小；Cu与Al相互作用更加紧密，Cu原子倾向于进入以Al原子中心的团簇，形成类Al2Cu晶体有序结构；而Ag与Al存在竞争关系，Ag原子为中心的团簇更能吸引Ag的进入，类AlAg2和类Al晶体结构并存， Ag和Al有着更小扩散激活能，更容易在液体内迁移，从而使得液体局域结构非均匀化，侧面印证了Al2Ag成分合金的共晶特性和晶体结构的不易形成。⑶探索金属Ga液体高温区液液结构转变和AgGe合金液态及玻璃态结构关联性。实验和理论模拟研究金属 Ga液体在较大温度区间（400到1373 K）内结构演化，证实两种不同结构液态区域的存在：一种液态结构区域具有较大扩散激活能，其比热和原子协同运动特性与温度相关性较小，由低配位结构的团簇组成；另一种液态结构区域具有较小扩散激活能，其比热和原子协同运动特性与温度相关性较大，由高配位结构的团簇组成。AgGe合金液体局域结构易于形成类二十面体团簇，并在过冷液态区占据主导地位；快速冷却过程中，液态结构内局域短程有序化程度增高，遗传给玻璃态结构。

目录

致谢

第一章 绪论

1.1 金属液体和金属玻璃

1.2 金属液体结构研究进展

1.3 金属液体的结构模型

1.4 金属液体热动力学性质

1.5 金属玻璃的结构

1.6 金属玻璃的性能及应用

1.7本论文的研究意义和主要内容

第二章 常用实验和分子动力学方法介绍

2.1 实验研究方法

2.2 分子动力学模拟

2.3 结构分析方法

第三章 Al-Cu金属液体结构和热动力学性质研究

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3 实验结果及讨论

3.4 本章小结

第四章 Al2Au、Al2Ag和Al2Cu金属液体结构和动力学性质研究

4.1 引言

4.2 实验模拟方法

4.3 实验结果及讨论

4.4 本章小结

第五章 Ga液液结构转变和AgGe液态与玻璃态结构关联的探究

5.1 引言

5.2 实验过程

5.3 实验结果和讨论

5.4 本章小结

第六章 总结

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的文章

个人简历