复杂合金相的团簇结构及其性能特点

长期以来具有复杂结构的合金相研究基本是相关材料的从属课题。随着复杂合金相固体润滑剂的发现与产业化，这类材料成为当前需要进行系统深入研究的重要课题。与此同时，以准晶非晶合金研究为代表的复杂体系合金材料的研究取得重要进展，其团簇特征结构得到广泛共识。本项目在一系列复杂合金相材料即将产生重大应用的背景下，在已有的研究基础上，以"团簇加连接原子"团簇模型为基本手段，分析复杂合金相的团簇结构特征并进行分类，建立相应的基于团簇的成分式[团簇](连接原子)x，藉此解析其热力学和性能特点，尤其关注与准晶、非晶相关的显示团簇特征的Al、Ti、Zr基"团簇合金"，从团簇角度建立复杂合金相的性能-结构-成分关联，为复杂合金相实用新材料的设计与开发提供实验与理论依据。本项目的实施有助于推动具有我国自身特色的复杂合金相研究，支持相关产业发展，并对各类复杂合金材料的成分设计产生影响。

以原子团簇为结构特征的复杂合金相材料在结构、物理性质上都显示出区别于传统金属晶体材料的特殊性，通常包括准晶态合金和非晶态合金，也含盖相关晶体相。以准晶合金为例，由于该类材料通常具有高脆性，从而严重制约了其直接作为结构材料应用的可能。然而，准晶合金同时具有高硬度、低摩擦系数以及良好的耐磨损性等特征，在表面防护领域有着良好的应用前景。与准晶材料相类似，非晶合金也因其缺少室温拉丝塑性而无法作为结构材料广泛应用，特别是对于高脆性的非晶合金材料少有人关注，如何利用非晶合金的高硬弹比高硬度高脆性等类准晶的性能，使其得以应用一直是本领域的难点问题。鉴于上述应用领域的进展，本项目预定目标以"团簇加连接原子"团簇模型为基本手段，分析准晶、非晶等复杂合金相的结构特征，为复杂合金相实用新材料的设计与开发提供实验与理论依据，开启独具特色的团簇合金相研究方向。.经过五年研究，本项目完成了上述目标，在如下三个方面取得重要进展：.1）通过建立普适的团簇加连接原子模型，揭示出复杂合金相的最佳稳定性成分源自理想近程序结构单元，以此建立了高稳定性合金的成分设计新理论；2）通过研究具有高硬弹比特性的准晶、非晶粉末的摩擦学行为，揭示出其所具有的独特碾磨（smearing）磨损机制，支持了相关应用进展：3）通过非晶形成能力相关的动力学与热力学研究，在非晶形成组分选择、非晶形成能力机理、非晶性能转变等多方面获得进展。.上述三个方面的进展显示出，本项目开辟了一个以团簇结构为核心的新研究方向，解决了由来已久的合金成分来源的重大难题，形成了新的合金设计方法，开辟了准晶非晶磨料应用的新领域，完成了预定计划。