基于材料基因特征的非晶合金三维原子堆垛构型与热稳定性关系研究

Amorphous material is structurally relaxed or even crystallized at the temperature above 200℃, which leads to sample embrittlement. But the thermal instability mechanism is still out of our sight at the atomic level, and existing methods have shown limited effectiveness. This fact limits the application scope of the energy-saving material greatly, which has shown energy saving both in its manufacture and applications. Our previous work has demonstrated that, the atomic packing configuration plays an important role for the thermal stability of amorphous alloys and melts. In this project, three typical amorphous alloy systems, i.e., ZrCuAl (bulk), Fe-(Si/P/Zr/Hf)-(B/C) (ribbon) and AlCoCrFeNi (high-entropy alloy), are unceasingly selected as the research objects. Spherical-aberration corrected scanning transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectra, liquid metal viscometer, combined with ab initio molecular dynamics and classical molecular dynamics simulations etc., are used to study and simulate the evolution of 3D atomic packing configuration and thermal instability mechanism with increasing temperature for amorphous alloys and melts. Based on the material genetic characteristics between alloy melt and corresponding amorphous alloy, electronic structure and chemical bonding are analyzed to investigate the influence of constituent species and atomic packing configuration on the ordering and crystallization driving force, and to explore the instability requirements and key determinants of steady state. So, this project can offer a new perspective to develop high thermal-stable amorphous materials, and offer the theoretical exploration to widen the application scope of amorphous alloys.

非晶合金在高于200℃的环境下将会发生结构驰豫甚至晶化，并引起脆化。但原子层次的热失稳机理并不清晰，现有的改善方法效果有限。这限制了这种"双绿色"节能材料的使用范围。项目组前期的研究发现，非晶合金及熔体中原子堆垛构型对其稳定性具有重要影响。本项目将继续研究ZrCuAl(块体)、Fe-(Si/P/Zr/Hf)-(B/C)(带材)和AlCoCrFeNi(高熵合金)三种典型非晶合金系，利用球差矫正扫描透射电镜、X射线光电子能谱仪、液态金属粘度仪等结合第一原理、分子动力学等模拟计算方法，研究热场下非晶合金中三维原子堆垛构型的演化过程与失稳机制。基于熔体与非晶态合金的材料基因遗传特征，考察电子结构和化学成键，分析组元类型、原子堆垛构型对有序化和晶化驱动力的影响，探索非晶合金在热场下失稳条件及稳态决定因素。本项目将为开发高热稳定性的非晶态合金提供新的视角，为扩大非晶合金的使用范围奠定理论基础。

采用球差矫正扫描透射电镜、三维重构电子显微术的实验方法，结合第一原理分子动力学、大规模分子动力学，对于FeSiB(P)、 ZrCuAl两类非晶合金系的三维原子堆垛构型及热稳定性关联性，进行了实验观测和模拟计算研究。.通过模拟计算发现，铁基非晶合金中，与其他类金属原子（Si、B、C）不同，P原子与与其他类金属原子间呈现明显的规避现象，而Si、B原子之间存在着一定的近邻关系。同时，以P原子为中心的反棱柱型结构，也有助于提高非晶体系的热稳定性。据此理论结果，在已有成分基础上进行P元素的添加，并开发出了热稳定性高的FeSiBP非晶和FeSiBPNbCu纳米晶材料。与原来的材料相比，所制备的两种新材料的性能得到了明显提升。其中，FeSiBP合金的居里温度Tc提高了约40K，而初始晶化温度Tx提高了30K。这两种新成份的材料还具有综合软磁性能优异，成本低的优点。ZrCuAl非晶合金体系中，原子配位数以CN=12-14为主，Voronoi多面体以<0,0,12,0>正二十面体及其他变形二十面体，表明ZrCuAl合金内部存在着大量的二十面体团簇，经估算团簇尺寸约为0.98nm。.原子团簇观测方面，探索了超薄的单原子团簇层厚度（约1-2nm）的样品制备方法，低能和低角度离子减薄的条件下，可以获得超薄的样品，但是超薄非晶薄膜会发生自起皱折叠现象（self-folding)，不适合利用亚纳米电子束的衍射研究原子团簇。因此采用电子显微学三维重构方法对ZrCuAl非晶合金的原子团簇进行了观测，发现ZrCuAl非晶合金内部以典型的多面体结构为主，重构出来的原子团簇尺寸约为0.8-2nm，与模拟计算结果吻合。由于电子显微镜样品台倾转角度的限制，丢失了部分结构信息，限制了三维重构像的分辨率，目前还无法研究原子团簇中的原子分布情况。但初步研究结果表明，采用电子显微学三维重构的方法进行非晶合金原子团簇的观测研究，是一个较好的方法。.在本项目执行过程中，开发出两种高热稳定性、低成本且综合性能优异的非晶合金，发表及接收SCI论文9篇，申报发明专利2项，培养博士生1名。