金属玻璃局域原子结构研究

当材料的晶粒尺寸被控制到纳米级以至长程无序的非晶时，材料呈现出了其特殊的性能。如金属玻璃呈现出接近理论值的高强度和直到屈服时的理想弹性应变等常规材料所不具备的高性能。此材料在玻璃转变温度（约其熔点的一半）时只需徐吸收极少的能量即完成固体到过冷液体的物理和力学性能的转变。不同成分的金属玻璃呈现极为不同的玻璃形成能力和结晶化过程。由于金属玻璃不具有周期性单体晶胞，又非原子级无序，其结构之复杂超出多数高技术设备的分辨能力，所以至今尚无法从原子排列的角度深入理解玻璃形成能力。随着近年来高强度中子衍射中心在美国国家实验室的建立和发展，利用中子衍射对材料局域原子结构的研究也得到了迅速发展。申请人多年来在美国从事高强度中子衍射对材料局域原子结构的研究。利用此技术对金属玻璃和其加热结晶化过程的局域原子结构变化进行深入的研究，可更为本质地理解影响玻璃形成能力的因素，为开发此类新材料奠定更为坚实的理论基础。

金属玻璃以其独特的原子结构 – 长程无序的类液体结构，以及独特的物理、机械性能，一直是科学研究的重点之一。从金属玻璃原子结构角度深入理解和解释金属玻璃的物理性能和力学性能，尤其是过冷液体转变和伴随的急剧的强度降低，相应的局域剪切带变形到均匀超塑性变形的现象，需要对金属玻璃的局域原子结构进行深入的研究。本项目利用中子衍射和高能同步辐射等先进技术对Zr基金属玻璃局域原子结构进行了原位升温的测试和深入的分析研究。局域原子结构分析数据表明自由体积在进入玻璃转变和过冷区间时增速显著加快。并发现金属玻璃从室温升温时，其产生的局域原子结构内的由原子对得到平均微观热膨胀系数远小于宏观热膨胀系数，当温度高于玻璃转变温度后，该微观热膨胀加倍增加的现象。进一步的分析表明，当金属玻璃进入过冷区时，超常短键连接团簇和自由体积同时相关增加。本研究进一步通过第一性原理分子动力学(AIMD)对局域原子结构进行了模拟计算。此研究有力地支持和进一步明确了作者提出的以过渡区为核心的含超常紧密键对团簇的非晶结构模型 - the tight-bond cluster model：团簇+过渡区+自由体积。团簇间的过渡连接区在玻璃转变时吸热发展成为自由体积，使得团簇被具有液体性质的自由体积包围，因此伴随相应的强度的急剧降低，及宏观塑性的质的增加。团簇，过渡区和自由体积的局域热膨胀的不同，导致局域微观热膨胀和宏观热膨胀的不同。在此基础上，本项目还系统研究了不同成分的金属玻璃从不同的熔融状态快速冷却后对其局域原子结构，非晶体的热力学性能和金属玻璃的玻璃形成能力的影响。除了成分的决定性影响外，结果分析表明，提高熔融急冷温度可提高玻璃形成能力。其原因是由于熔融温度对液体局域原子结构的影响。本项目的研究工作为金属玻璃材料的进一步开发和研究进一步提供了有益的理论基础。