多元非晶合金玻璃形成能力与微观结构关联性的同步辐射研究

As a new class of materials, metallic glasses (MGs) have been attracting intense interest because they have outstanding physical, chemical and mechanical properties. However, the development and application of MGs are still challenges because the glass forming mechanism and their microstructures are not well understood. Fortunately, it has been realized that the approach of synchrotron radiation experiments coupled with simulations and calculations can address this issue much better than any other methods. In this project, we plan to study structural mechanism of the high glass-forming abilities (GFAs) in multicomponent MGs, as well as the dependence of GFA on the preparation conditions. The state-of-the-art synchrotron radiation-based techniques (X-ray diffraction, X-ray absorption fine structure and so on) combined with some simulational or calculational methods (the reverse Monte-carlo, Voronoi tessellation and so on) will be carried out to achieve this goal. We expect to reveal the microstructures of these selected MGs at both short-range order (the so-called clusters and the atomic connection, bonds, interaction and the atomic packing efficiency inside clusters) and medium-range order (the connections style and packing efficiency of clusters). The structural origin of the high glass forming-ability and unique properties in these MGs and even bulk MGs are expected, along with the impact of composition upon the microstructures. This work may benefit the design and development of a series of multicomponent amorphous alloys having relatively high glass forming-ability and excellent properties.

非晶合金是热点研究的新型材料，具有相对优异的物理、化学、机械性能。目前大尺寸非晶合金材料的开发缺乏系统、完整的理论指导，源于其尚未澄清的机制问题，特别是其复杂的无序态结构未得到清楚解析。利用同步辐射实验技术结合理论计算可大大推动其微观结构的解析工作。申请者计划系统地研究Zr基和Ni基等多元金属玻璃的微观结构，以了解多元金属玻璃中掺杂元素对于非晶形成能力的极大提升作用。同时研究制备条件、加工工艺引起的微观结构变化与非晶形成能力的关系。拟采用先进的同步辐射实验手段（如X光衍射、X光吸收实验等），结合各种理论计算与模拟（如蒙特卡罗、Voronoi、分子动力学、X光吸收近边计算等），从短程序（团簇内部原子连接、键合作用和原子堆积效率等）到中程序（团簇连接、堆垛等）尺度揭示其微观结构（特别是掺杂原子的近邻环境）对非晶形成能力的影响，指导多元合金体系中寻找和设计具有优良性能的大尺寸非晶合金材料

非晶合金是热点研究的新型材料，具有相对优异的物理、化学、机械性能。目前大尺寸非晶合金材料的开发缺乏系统、完整的理论指导，源于其尚未澄清的机制问题，特别是其复杂的无序态结构未得到清楚解析。而大尺寸非晶主要存在于多元合金体系中，可采用在简单体系（如二元）通过掺杂少量其他元素以大幅度提升非晶形成能力。因此，需要通过结构研究解释掺杂引起的结构变化及其对非晶形成能力的调控作用。利用同步辐射实验技术结合理论计算可大大推动其微观结构的解析工作。此外，制备条件（如冷却速率）、加工工艺引起的微观结构变化与非晶形成能力的关系也是比较关心的话题。.我们在研究简单体系（如ZrCu、ZrNi、ZrPd和NiNb等）微观结构的基础上，主要研究了以ZrCu二元为母体通过掺杂形成的三元、四元（如ZrCuAl、ZrCuFeAl、ZrCuAgAl、ZrCuAlGd、ZrCuAlY）等非晶合金的微观结构，关注参杂原子对非晶形成能力提升的结构因素，主要有以下研究成果：.1、少量Ag、Gd、Y等掺杂原子引起掺杂原子为中心的局域结构的特征变化。表现为团簇的几何规则度和原子密堆效率均得以优化，并且掺杂原子分散在各团簇中心，不形成直接成健，从而易形成掺杂原子为中心—主体元素原子为壳层的局域结构，即较稳定的短程到中程有序结构，有助于非晶形成能力的提升。.2、当体系存在正混合热时（如Fe、Nb与Zr、Cu），某些原子对出现较强的相互作用，表现为原子对间距的适当收缩，有助于团簇几何规则度和原子密堆效率的优化，特别是二十面体类团簇的含量及结构优化。可增强短程到中程的有序性，以稳定非晶结构，有助于非晶形成能力的提升。.3、当过度掺杂时，掺杂原子出现直接连接情况，破坏了掺杂原子为中心的局域结构，导致团簇的几何规则度和原子密堆效率等参数相对降低，削弱了短程到中程的有序性，从而引起玻璃形成能力的下降。.4、发现不同冷却速率得到的同一成分非晶合金的微观结存在差异，表现为冷却速率与团簇的规则度和原子密堆效率等特征参数存在反变化的关系。.我们的研究成果可用于解释多元非晶合金中掺杂引起非晶形成能力提升的结构因素，可用于指导开发具有大非晶形成能力的多元合金，特别对存在正混合热的体系具有更为特殊的科学意义。此外，我们的研究成果也揭示了制备和加工工艺对于非晶微观结构的调控作用，有益于澄清非晶形成的若干机制。