金屬鋯及硅合金液態(tài)和玻璃態(tài)微觀結構和動力學性質研究.pdf

1、本文利用第一性原理分子動力學方法結合部分實驗結果對金屬鋯及硅合金液態(tài)和玻璃態(tài)微觀結構進行系統(tǒng)分析。論文包括三個部分：Zr金屬液體和過冷液體微觀結構研究、Cu80Si20，合金微觀結構和動力學性質研究、Sr的加入對于Al88Si12合金的微觀結構和玻璃形成能方的影響。
　　 Zr是已知的容易形成大塊金屬玻璃的合金元素之一，Zr和Cu的二元合金是二元合金中玻璃形成能力最強的。雖然傳統(tǒng)的理論預言任何金屬，只要冷卻溫度足夠大，都可以形成

2、金屬玻璃，然而對于單質金屬是否形成玻璃態(tài)的研究存在爭議，實驗上包括Zr在內的諸多金屬單質尚未發(fā)現(xiàn)玻璃的產生。本文使用原子團簇校正法對Zr進行計算。經過團簇自校正后，在液態(tài)條件下(2500、2400、2290和2135 K)，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的有序性，說明高溫下體系存在多種短程有序結構。當溫度降低到熔點(2128 K)以下，在1830 K時，原子團簇自校正的結果為較為明顯的體心立方相。這意味著體心立方很有可能已經占據主要作用，而尚不能排除其它

3、短程有序結構的存在及其所占的比例。通過團簇自校正，在2135和1830K兩個溫度下，將分子動力學模擬的整個過程(6 ps)分為10個時間段，每個時間段為0.6 ps。不同時間段的校正結果表明，在2135 K時，體系在不同的時間段表現(xiàn)出二十面體或者體心立方，而二十面體稍多一些；在1830 K時，出現(xiàn)體心立方的次數(shù)明顯變多。上述結果表明，在分子動力學過程中，出現(xiàn)體心立方和二十面體結構相競爭的關系，彼此之間存在起伏。由于體心立方結構是Zr晶體

4、的高溫相，其出現(xiàn)阻礙了二十面體抑制結晶的過程，從而無法發(fā)生玻璃轉變，從理論上首次解釋了單質元素Zr不能形成金屬玻璃的原因。
　　 Cu-Si二元合金在20％Si原子比例時接近共晶點，并且在熔點附近存在較復雜的晶體結構，因此對于Cu80Si20金屬合金液體的微觀結構和動力學性質的研究不僅可以填補該方面的空缺，并且有助于增強對合金液體結構與金屬玻璃微觀結構的聯(lián)系。
　　 本工作通過X射線衍射和分子動力學模擬研究了Cu80Si

5、20合金金屬液體和金屬玻璃的微觀結構和動力學性質。在液態(tài)中，隨著溫度降低，體系中的類二十面體結構不斷增加，而其它晶體團簇短程有序結構則不斷減少。通過Voronoi切割法得到的團簇中，Si為中心的團簇配位數(shù)較小。此外，通過原子團簇校正法找到的面心立方團簇主要是以Cu為中心，其原因在于Cu自身具有結晶的傾向，而原子半徑較小的Si的加入填補了空間中的空隙，抑制整體結晶的趨勢。金屬玻璃中，經過快速冷卻，得到室溫(300 K)下的Cu80Si20

6、樣品。相比于液態(tài)合金，此時計算得到的對關聯(lián)函數(shù)表現(xiàn)出玻璃的特性，峰更加尖銳，第二峰出現(xiàn)明顯的肩峰。而相比之下，Honeycutt-Andersen指數(shù)得到的155指數(shù)的比例占據了絕大部分，代表密堆積結構的指數(shù)142都下降至5％以下。Voronoi切割法是另一種表征體系短程有序結構的方法，在這種方法中，(0，0，12，0)表征的是標準二十面體結構。在室溫樣品中，(0，0，12，0)超過了10％。通過原子團簇校正法，發(fā)現(xiàn)在同樣的情況下，純C

7、u液體在降溫到熔點之下不久后就形成結晶，而Cu80Si20保持二十面體短程有序性，證明Si在Cu中增強了體系的玻璃轉變能力。
　　 含12％Si原子比的Al88Si12合金為共晶合金，由于Si傾向于形成粗糙的片狀共晶結構，減弱了合金的機械性能。而加入微量元素可以改變合金的微觀結構，細化晶粒尺寸，提升合金性能。Sr的加入在實驗上被證明能顯著改善Al-Si合金的微觀結構，但其中的調制機理尚不清楚。本部分工作分別計算Al88Si12、

8、Al87.5Si12Sr0.5和Al84Si12Sr4三種情況。研究發(fā)現(xiàn)將0.5％Sr原子替換量不足以顯著影響合金液體的微觀結構。替換Sr原子之后，平均配位數(shù)減小。此外，Sr的擴散速度明顯小于Al和Si，并且略微降低了體系的整體擴散。將4％的Al替換為Sr原子后體系的微觀結構發(fā)生了明顯變化。Al和Al之間的相互關系略微有所加強；Si和Si之間的相互作用明顯降低；而Sr和Si有較強相互作用。意味著Sr的加入改善了體系的微觀結構，原本比較傾