局域结构剖析金属熔体原子团簇的试验研究

With the high temperature X ray diffractometer, the statistic short-range order (SRO) structure parameters of the alloy systems containing intermetallic (e.g. Ag-In/Ag-Sn/In-Bi) in the melt state will be obtained. Based on these results, the local structure of these alloy melts will be detected by means of synchrotron radiation equipment in Shanghai Synchrotron Radiation Facility. Through the analysis of X ray absorption fine structure spectrum with the absorption atoms of Ag, Sn, In, and Bi elements, respectively, we shall obtain the coordination elements, the coordination numbers and the bond length around the specified atoms. Centered on the absorption atoms, we shall dissect the clusters' structure, and establish the local structure models. Combined with the analysis of electronic structures from the near edge, we shall further uncover the nature of the local structure evolution. Furthermore, we shall research the effects of the local structure on the constitutions and stabilities of the clusters, discover the role of the local structure in the cluster evolution, and study the contribution of the local structure to the solidification processes and the as-solidified microstructures, respectively. This research work will provide more microscopic and detailed theory evidences for studying and controlling the liquid-solid structure, enhance the recognition and new understanding toward the solidification theory, and enrich the condensed matter physics theory.

先用高温X射线衍射仪获取含金属间化合物的合金（如Ag-In/Ag-Sn/In-Bi合金）熔体的原子团簇统计结构参数，再用上海光源所同步辐射设备，对合金熔体的原子团簇结构信息进行局域结构剖析试验。分别以Ag、Sn、In、Bi元素为吸收原子，通过分析X射线吸收精细结构谱，获取熔体中指定原子的最近邻配位原子种类、数目和配位键长等结构参数；以吸收原子为中心，剖析统计团簇结构，建立特征原子的局域结构模型；分析吸收谱近边电子结构，揭示熔体局域结构演化的本质。研究熔体特征原子的局域结构对短程有序团簇结构构成和稳定性的影响，探索局域结构对团簇演变的作用，分别研究它们对合金凝固过程及微观结构形成的贡献，为材料加工过程液固结构转变的研究和组织控制提供更微观和更具体的理论依据，增强对凝固理论的再认识和新理解，丰富凝聚态物理理论。

金属熔体结构是由近程有序的原子团簇构成，这种团簇结构是原子运动的统计分布。如何进入到这种团簇内部去了解不同原子种类和某一指定原子的位邻结构构成，是这一课题的主要任务。在该课题的资助下，利用X射线吸收精细结构谱实验、从头算分子动力学模拟的方法和熔体脆性理论，对金属熔体原子团簇局域结构遗传效应、热力学性质、动力学性质以及金属熔体结构对脱合金前驱体组织结构的影响等方面进行了研究，在如下几方面取得了创新性成果：.1).利用X射线吸收精细结构谱实验，建立了金属熔体局域结构模型，发现在过冷条件下，熔体中原子重排形成高对称性低配位的多面体团簇。 .2).利用X射线衍射和从头算分子动力学模拟的方法，发现金属熔体中的局域结构具有凝固遗传效应，揭示了局域结构遗传效应与原子电子结构的内在联系。.3).找到了BiIn2 金属间化合物熔体中局域化学键Bi-In键存在的直接证据；发现在BiIn2金属间化合物合金熔体中，In原子和Bi原子之间存在强烈的相互作用，并且构成金属间化合物熔体团簇的Bi-In键强于其他非金属间化合物成分的Bi-In键。因此，在金属间化合物团簇的结构演化过程中，Bi-In键起了决定性作用。.4).研制和开发了一种使熔体Al-7wt%Si合金与低碳钢冶金结合的新工艺， 主要创新点是在低碳钢表面热浸镀一层Zn-Al合金液，实现了汽车缸体复合材料的良好冶金结合，在高压扭转条件下研究了冶金界面的组织和性能。发现这种冶金结合界面在高压扭转实验过程中表现出很好的塑性。同时发现这种冶金界面的界面区和基体部位高压扭转后的显微硬度提高。.5).利用熔体脆性理论找到了一种适合脱合金制备纳米多孔的前驱体合金，作为钠离子电池负极材料，在充放电电流为100 mA g-1循环200周后，容量仍然可以保持573.8 mAh g-1，并且具有优异的倍率和循环性能。.培养博士生7人，其中5人已获得博士学位。获国家发明专利授权三项，发表学术论文20篇，其中二篇发表在国际能源最高学术刊物EES上，该刊影响因子为29.7，已发论文单篇在一年内被引用达28次。