原子和电子尺度计算与模拟研究三元金属玻璃的形成规律、原子构型及相关性能

The proposed key project is to investigate the basic scientific issues related to the metallic glasses by atomic/electronic-scale computation and simulation. The main focuses are: (1) Construction of interatomic potentials for about 10 selected ternary alloy systems, which are promising for obtaining the so-called bulk metallic glasses. (2) Based on the constructed interatomic potentials, molecular dynamics and Monte Carlo simulations are conducted to reveal the physical origin of the ternary metallic glass formation. (3) First principles molecular dynamics simulations to study the correlation between crystal-to-amorphous transition and alloy composition. (4) Calculation and characterization of the atomic structure in the short, medium and long ranges of the ternary metallic glasses. (5) Atomistic simulations to study the mechanical properties of the ternary metallic glasses. (6) Trying to propose new formulism for construction the n-body potential, which features improved performance in describing the atomic interactions in the metal and alloy systems. It is anticipated that the outcome of the project is to provide theoretical guidance to alloy composition design as well as to kinetic requirement in the production of ternary metallic glasses, thus greatly promoting the application of the metallic glasses, especially the so-called bulk metallic glasses, in many important Hi-Tech fields and in producing the advanced weapons.

本项目拟在原子和固体电子结构的两个尺度上，对三元金属玻璃的若干基本科学问题进行计算与模拟研究。主要研究内容是：(1) 选择10个有可能获得块体金属玻璃的三元合金系统，构建出它们的原子互作用多体势。(2) 通过基于多体势的分子动力学和蒙特卡洛模拟，揭示三元金属玻璃的形成规律。(3) 用第一性原理分子动力学模拟的方法，研究晶态-非晶态相变与合金成分的关系。(4) 计算与表征三元金属玻璃中的短程、中程、及长程范围内的原子构型。(5) 用原子尺度模拟的方法，研究三元金属玻璃的力学性能。(6) 探索能更好地描写金属及其合金系统中原子间相互作用的新型多体势函数。本项目的研究结果将对三元金属玻璃的研制中的合金成分设计和制备条件提供理论指导，由此推动金属玻璃（特别是块体金属玻璃）在高科技及先进武器中的应用。

本项目旨在用原子/电子尺度的计算与模拟的方法，来研究与三元非晶态合金（即金属玻璃）有关的基本科学问题。率先提出从合金系统的原子互作用多体势出发来阐明其形成规律，并研究其原子尺度的结构和性能。用第一性原理计算辅助构建多体势的方法，在18个涵盖不同结构和正/负生成热组合的合金系统中构建了它们的多体势。应用构建的多体势进行原子尺度的模拟与计算，并从其结果提出金属玻璃形成的原子尺度理论，提出的理论不仅揭示了金属玻璃形成的本质；而且能定量地预言有利于“玻璃形成的成份范围”，以及合金系统中每一个合金在形成玻璃中的“非晶化驱动力”。与实验结果比较，大量已制成的金属玻璃的成分都落在理论预言的范围内；并在一些系统中观察到：“非晶化驱动力”与文献中用技术参数定义的“玻璃形成能力”呈现出正的相关性，即揭示了“玻璃形成能力”的物理内涵。. 提出的原子尺度理论对“金属玻璃科学”的发展起到了重要的推动作用；构建的多体势将在原子尺度层次，将推动对其结构，性能等科学问题的深入研究。. 构建的18个合金系统的多体势,以及所开发的“多体势自动构建软件”，对“计算材料科学”的发展有很大的推动作用。 .许多三元合金系统是有可能制备出大尺寸的块体金属玻璃，因此提出的原子尺度理论将会显著地推动其研究，开发，以及在高科技（如信息、化工等）和国防（如先进武器）领域中的应用，由此产生重大的经济和社会效益。