三元金属系统中的合金相、相变及相关性能的计算与模拟研究

本项目拟从宏观的、原子、以及固体电子结构的尺度上对三元金属系统中的合金相、相变及性能的科学问题进行计算与模拟研究，并配合以少量论证性的实验。主要研究内容是：（1）应用现有宏观尺度的热力学理论，对三元金属系统中合金相的稳定性、相变及相关的性能进行计算研究。(2) 构建三元金属系统的原子互作用多体势；从多体势出发，在原子尺度上对系统中合金相的结构稳定性、晶态-非晶态相变及相关性能进行计算与模拟研究。（3）用第一性原理计算方法，在固体电子结构的尺度上研究合金相的稳定性、磁学及其它相关性能。（4）设计并做少量有针对性的实验（主要是多层膜离子束混合和薄膜材料实验），其结果不仅用来检验计算与模拟的结果，同时也制备出计算与模拟所预言的新型材料的原型。本项目的宗旨是在宏微观（重点是原子和电子尺度）的层次上揭示三元合金相的稳定性、相变（重点是晶态-非晶态相变）及其相关性能的本质，用以指导新型材料的制备。

在材料科学的基础研究中，关键是要通过深入和系统的研究，揭示材料制备过程与材料微观结构，以及微观结构与材料性能之间的关系，由此建立材料科学的基本理论。基于这样建立的理论，才能做到真正意义上的材料设计。本项目在不同的物理尺度上，对金属材料科学中的若干科学进行计算与模拟研究，其主要内容是：(1)从三元金属系统的多体势出发，在原子尺度上研究系统中合金相的稳定性、晶态-非晶态相变、以及与相变有关的性能等。(2)用第一性原理计算方法，在电子结构尺度上研究合金相的稳定性、相变、磁学、以及其它性能。(3)以现有的热力学模型为基础，在宏观尺度上研究三元及二元金属系统中合金相及相变等科学问题，并将其结果与原子尺度的计算与模拟结果相比较。(4)设计有针对性的薄膜材料实验，用以检验/支持计算与模拟的结果。. 本项目以下四个方面取得了创新性成果：(1) 第一性原理计算共研究了十多个三元金属系统中单质和化合物的晶格常数、内聚能、弹性模量等物理性能，揭示了它们的形成规律。(2)用第一性原理计算辅助的方法构建了10多个Al基、Cu基、Mg基、Ni基等三元金属系统的、符合实际的原子互作用多体势。(3)基于多体势的分子动力学模拟/蒙特卡罗模拟研究了无序合金的形成规律，模拟结果预言了上述10多个三元金属系统中有利于非晶态合金（即金属玻璃）形成的成分范围，并进一步计算出其中每一个合金在发生晶态-非晶态相变时的驱动力，由此预言出最容易形成金属玻璃的成分点，为建立三元金属玻璃形成的理论提供了重要的依据。(4)基于模拟的预言和热力学计算结果，在10多个三元金属系统中，做了多层膜的离子束混合实验，制备出多种新型的金属玻璃，在有些系统中，直接支持了计算与模拟理论预言。. 基于多体势的原子尺度计算与模拟的成果，对研制新型的三元金属玻璃中的合金成分设计即制备条件有重要的理论指导意义。其创新点有：(1)率先提出从原子互作用多体势作为发展理论的基础的思想；(2)分析实验结果后，归纳出金属玻璃形成的无序相-固溶体竞争的机制，由此提出用固溶体模型进行模拟的技术路线；(3)从多体势预言/定义系统的玻璃形成范围和每一个合金的非晶化驱动力。与文献中其它基于系统个别特性而提出判据比较，本研究组以原子互作用多体势为出发点，多体势控制了系统中的主要相互作用，因而由此提出的理论预言更为合理，也得到大量实验结果的支持。