玻璃转变至晶化过程中Ca基金属玻璃的粘度及电阻行为研究

Calcium based metallic glasses have a series of unique properties in comparison with other metallic glasses. It is very important to understand the glass formation and atomic structures not only for the understanding of the amorphous alloys but also for their application as biology materials. This project aims to study variation of viscosity and electrical resistivity of Ca-based metallic glasses from glass transition to crystallization. By introducing fragility index, fictive temperature and free volume, it is possible to obtain the relationship between macroscopic properties such as viscosity, electrical resistance and glass forming ability and atomic structure to reveal the effects of the metastable state on the physical properties. Finally, it is hoped to establish a model to quantitatively describe the glass forming ability and microstructure, and provide beneficial reference for the study of metallic glasses and atomic structure.

钙基金属玻璃具有不同于其他合金体系的一系列独特性质，了解其形成过程和微观结构，不仅有助于非晶合金的研究，也有助于推动在生物医用材料领域的应用。本项目以Ca基金属玻璃为研究对象，研究玻璃转变至晶化过程对于粘度和电阻变化行为的影响，通过引入脆性指数、玻璃假想温度、自由体积等，建立粘度、电阻等宏观性能与金属玻璃形成能力及结构之间的关系，揭示亚稳状态对物理性能的影响规律, 并建立描述金属玻璃形成能力及结构变化的模型，为金属玻璃物理本质和结构研究提供有益的参考。

金属玻璃由于其长程无序而短程有序的原子结构，表现出有别于晶体材料独特的物理性能而受到广泛关注，但对金属玻璃结构及玻璃转变物理本质的认识方面没有形成统一的结论。电阻是材料电子状态最直观的反映，对结构变化极其敏感，粘度是评价玻璃形成动力学的最重要参数。因此，本课题以Ca基金属玻璃为基础，并选取Cu基、Zr基及Ti基等多个金属玻璃体系作为对比，系统研究了金属玻璃亚稳态、晶化过程的电阻及粘度变化行为，探索电阻、粘度等宏观物理参数的变化行为与金属玻璃结构演变的关联性，为金属玻璃结构及玻璃转变物理本质的研究提供了有益的参考。. 金属玻璃晶化过程中电阻的变化行为与晶化动力学、晶化路径、晶体相演变等因素密切相关。Ca65Mg15Zn20等金属玻璃晶化时由于原子排列的无序→有序转变导致合金的能带结构发生变化，电阻迅速减小并最终保持恒定。Cu46Zr46Al8块体金属玻璃高密度饱和形核但缓慢长大的动力学过程导致晶化初期电阻出现反常增大。Ti40Zr25Cu12Ni3Be20金属玻璃晶化析出细小准晶相，电阻连续下降至第一步晶化完成。Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5金属玻璃缓慢的相变过程导致晶界数量逐渐增加电阻在晶化末期出现反常增大。. Ca65Mg15Zn20金属玻璃在过冷液相区和熔体状态的粘度存在“弱-强”转变，符合Zhang模型。提出开始晶化粘度η(Tx)的概念，其因体系不同而异但同一体系的值非常接近。拉伸模式测量粘度时在Tg以上温度的粘滞变形行为与应力大小密切相关。发生非晶-准晶转变时，粘度变化主要受准晶相的含量及尺寸的影响。. 金属玻璃电阻的变化可以准确反映自由体积含量。低于Tg温度退火时，自由体积消亡电阻增大；进入过冷液相区自由体积再次生成电阻减小。根据升降温过程电阻变化，从室温到过冷液相区的电阻弛豫分为四个阶段，电阻变化与金属玻璃的β弛豫具有关联性。. 利用金属玻璃电阻温度系数可正可负的独特导电特征，通过控制晶化或选择性氧化，能够调控金属玻璃的电阻温度系数并获得电阻几乎恒定的金属玻璃复合材料，可用于制备精密电阻器或薄膜电阻器，具有一定的应用前景。