一维非晶合金纳米材料的多尺度计算模拟与实验研究

As a great discovery of materials community in the 20th century, noncrystalline alloys have outstanding mechanical, physical and chemical properties. Lately a hot research area is to fabricate one-dimensional noncrystalline alloy nano-materials(ODNANM) by thermoplastic forming. ODNANM's properties are quite different with bulk metallic glasses, the intrinsic mechanism has not get studied extensively. This fact actually keeps ODNANM from being further developed and applied. We aim to combine multi-scale numerical simulation approaches, as well as experimental studies, to direct and verify one another. We aim to study Pb-based and Pt-based ODNANM，characterize their micro-structure, clarify surface effect; Investigate the relations between ODNANM mechanic properties with residual stress and surface defect; Explain the deformation mechanism from the perspective of atomic structure evolution；Optimized thermoplastic forming techniques, and realize controllable fabrication of ODNANM with respect to the size, morphology, and properties. The outcomes of this work will stimulate the development and application of ODNANM, enrich the foundamental theory of noncrystalline alloys, and make essential contributions to the fresh area “Low-dimensional noncrystalline alloys”.

非晶合金作为20世纪材料界的重大发现之一，具有很独特的物理、化学和力学性能，目前的一个研究热点在于用热塑性成形技术制备一维非晶合金纳米材料。一维非晶合金纳米材料的性能与块体非晶合金有较大差异，其内禀机理尚未得到深入研究，这在一定程度上妨碍了材料的开发与实用化进程。为此，本项目采用多尺度计算模拟与实验研究结合，相互指导、验证的方法，以Pb基、Pt基非晶合金纳米线为研究对象，表征非晶合金纳米线的微观结构，揭示表面对微观结构的影响机制；探索残余应力、表面缺陷等因素与非晶合金纳米线力学性能的关系；从原子结构演变角度出发，澄清非晶合金纳米线形变的微观机制；优化热塑性成形的制造工艺，实现对于纳米线(阵列)尺寸、形貌、性能的可控制备。研究结果对于促进一维非晶合金纳米材料的开发与应用具有积极的作用，对于丰富传统的非晶合金基础理论与开拓新兴的“低维非晶合金材料”研究具有重要的科学意义。

非晶合金具有优异的热塑性成形能力与独特的物理化学性质，非常适宜于制备金属微纳结构，在微机电系统中拥有广泛应用前景。然而非晶合金作为一种亚稳态材料，在热塑性成形过程中极易发生性质变化，其中机理还不清晰，这严重制约了它的广泛应用。我们前期研究表明成形过程改变了非晶合金内部原子聚集方式，从原子团簇演变出发对成形过程进行研究利于揭示其中机理。据此，本项目采用多尺度数值模拟与实验研究相结合的方法，研究热塑性成形过程中材料流变特性变化与表界面状态，揭示其对材料性质与成形过程的影响机制；分析非晶合金成形过程中原子团簇与成分分布的均匀性，讨论其与成形件性质间的联系，建立基于原子团簇演变机制的理论模型；实验制备非晶合金微纳结构，依据成形理论模型逐步优化非晶合金微纳尺度热塑性成形工艺，实现非晶合金微纳结构可控制备。本项目的开展将为提升非晶合金微纳尺度成形工艺水平与推动我国非晶合金微纳结构广泛应用提供有力支持。