金属非晶与纳米晶之间界面的微观结构与能量

研究非晶基体与纳米增强晶相之间的界面问题对于深入认识和理解非晶基纳米复合材料的形成及性能等相关的基础理论，具有重要的科学价值和实践意义。本项目侧重于利用原子尺度的分子模拟方法对非晶合金基体与纳米晶相之间的界面进行研究。内容包括：考察单组元、二元、三元合金系统中非晶合金与纳米晶相之间的界面附近合金成分分布、原子堆垛致密度、能量、有序度等参量，以及它们随温度、压力、纳米晶粒位向、晶粒尺寸等因素的变化关系，揭示非晶基体与纳米晶相之间界面的微观结构特征。考察界面的结合强度、界面能量、界面稳定性等与界面微观结构之间的关联，以及随合金成分、温度、压力等因素的变化关系，探究界面自由能的计算方法。进而确定表征金属非晶与纳米晶相之间界面微观结构的合理物理参量和界面能量的可靠计算方案，促进相关材料科学基本理论的完善，推进相关新材料的研发。

研究非晶基体与纳米增强晶相之间的界面问题对于深入认识和理解非晶基纳米复合材料的形成及性能等相关的基础理论，具有重要的科学价值和实践意义。本项目基于原子尺度的分子模拟方法，对金属非晶与晶体相（Cu-Zr合金）、金属熔体与晶体相（Cu-Ta体系）之间的界面进行了系统研究。主要考察了界面区域成分、原子堆垛致密度、能量、有序度等参量的分布，以及它们随温度、晶体位向、晶粒尺寸等因素的变化；界面能量、晶化动力学、界面稳定性等与界面微观结构之间的关联，以及其随温度等因素的变化等。通过上述研究，确定出了表征界面微观结构的合理参量，揭示出界面区微观结构与体相结构的差异：基于Voronoi多面体的结构表征表明，界面区结构与两侧体相均不相同，一些多面体在界面区含量显著增高；而基于原子密度分布、序参数分布的结构表征表明，界面区呈鲜明过渡特征，有机连接两侧体相。界面两侧体相会相互影响，基于不同结构参量表征或晶体相位向不同时，影响程度不同：当晶相面间距与非晶相内在周期相当时，会在非晶中引致较为深远的层状有序分布，但对序参数等结构参量影响不大；非晶相或液相的存在会使晶相的面间距与自由表面或完美晶相时不同，但对密排晶面的影响较小。界面能量、晶化动力学参数与界面区特征团簇的含量密切相关：特征团簇含量高时，界面能更低，晶化激活能更高，界面也更稳定；而特征团簇含量，又在很大程度上取决于晶相的位向，并受温度的影响。金属熔体与晶相之间的界面中，特定位向的界面中与固相直接接触的液相原子层会发生预结晶。此外，界面附近原子的扩散能力不仅与晶体相的位向相关，也与扩散路径相关：与界面平行方向的扩散较沿界面法线方向的扩散相对更为容易。研究成果深入了我们对非晶相/液相与晶体相之间界面微观结构的认识，对于促进非晶基复合材料的制备和性能提升具有一定的科学价值和实践意义。