Ti基和稀土基金属玻璃高压下的结构演变研究

摘要

金属玻璃材料作为玻璃家族的新成员，因其具有的无序结构和所表现出来的特性引起了材料科学和凝聚态物理学的广泛研究。具有网状结构的传统玻璃态物质曾经被报道过存在由原子配位数的增加引起的压致非晶多形态相变，例如冰、石英和硅等材料。金属玻璃是由与传统玻璃截然不同的无方向性金属键构成的，因其空间密堆结构和具有的最大配位数被认为不可能存在压致非晶多形态相变。然而金属玻璃高压下的相变现象在近年来被发现和并进行了深入研究。本文利用高压技术结合多种分析手段对金属玻璃的高压结构演化进行了研究，其中包括不存在相变的过渡元素Ti基体系和存在相变现象的镧系基金属玻璃。
　　本研究主要内容包括：⑴采用原位高能 X射线散射实验结合双体分布函数分析和逆向蒙特卡罗拟合对二元金属玻璃 Ti62Cu38的高压结构进行了研究。在长程尺度上，体系相对原子体积在压力作用下呈现出平滑的连续性变化曲线，通过状态方程拟合得到其等温体积模量B0=132(3) GPa，B0'=5.8(0.4)。在短程尺度上，由RMC拟合获得的压缩状态的原子密堆结构表明体系的短程拓扑序为变形二十面体并且在压力作用下保持稳定状态。由体系相对体积与配位球尺寸变化率的关系确定 Ti62Cu38金属玻璃的原子间距前四个峰尺度范围内存在维数为2.5的分形行为。⑵采用原位高压同步辐射X射线散射实验研究了Yb基金属玻璃的压缩行为，观察到了体系由低密度态向高密度态的转变，并伴随由等温体积模量不连续性变化反映的体积坍塌。体系的体积塌缩是由变形二十面体短程序在压力作用下向正二十面体转变引起的，该压致非晶多形态相变现象与压缩条件下Yb元素所含有的4f电子的离域化效应相关，并与原位高压电子输运性能测量的结果相符合。Yb基金属玻璃具有非晶多形态相变的现象结合相关研究报导表明压致多形态现象是镧系基金属玻璃的普遍性行为。⑶Yb基金属玻璃的压致非晶多形态相变现象表明镧系基金属玻璃含有的镧系溶剂原子对其电子结构具有继承性，那么金属玻璃中的镧系溶质原子是否具有电子结构的继承性？采用原位高压X射线散射实验对含有Pr溶质原子的La43.4Pr18.6Al14Cu24金属玻璃进行了结构研究，结果显示该体系产生了伴随着体积塌缩的低密度态向该密度态转变的压致非晶多形态相变。同时出现了局域结构向正二十面体变化的趋势，短程序尺度的P-r1关系和中程序尺度的P-Q1关系都表征了体系的结构存在变化。由于体系不可能发生由配位数增加引起的相变，且其包含的 La元素不含有4f电子，因此认为体系的非晶多形态相变是由溶质原子 Pr的4f电子离域化效应引起的，由此可以确定金属玻璃体系内含有的溶剂原子和溶质原子都对其电子结构具有继承性。该发现进一步补充了镧系基金属玻璃的研究，并为含有镧系元素的金属玻璃的非晶多形态研究提供了新的思路和方向。

目录

第1章 绪 论

1.1 金属玻璃

1.2 金属玻璃的结构和重要参数

1.3 相关金属玻璃体系的研究现状

1.4 金属玻璃高压研究技术及结构演变研究进展

1.5 本论文的研究意义和基本内容

第2章 二元金属玻璃TiCu高压结构及稳定性研究

2.1 引言

2.2 PDF实验和RMC模拟方法

2.3 二元金属玻璃Ti62Cu38高压结构演化

2.4 二元金属玻璃Ti62Cu38高压下的幂律关系

2.5 Ti62Cu38金属玻璃实空间分布函数模型拟合

2.6 本章小结

第3章 三元金属玻璃YbZnMg高压结构转变研究

3.1 引言

3.2 高压PDF实验和电学性质测量方法

3.3 Yb68Zn15Mg17金属玻璃压致非晶多形态转变

3.4 Yb68Zn15Mg17高压相变过程电子输运性能的变化

3.5 本章小结

第4章 四元金属玻璃YbZnMgCu高压结构转变研究

4.1 引言

4.2 高压PDF和电阻测量实验方法

4.3 Yb62.5Zn15Mg17.5Cu5压致非晶多形态转变

4.5 Cu元素对金属玻璃YbZnMg压致非晶多形态相变的影响

4.6 本章小结

第5章 四元金属玻璃LaPrAlCu高压结构研究

5.1 引言

5.2 LaPrAlCu的制备和原位高压X射线散射实验

5.3 LaPrAlCu高压相变

5.4 本章小结

结论

创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

声明

致谢

个人简历