非晶合金局域结构的可视化表征

非晶合金局域原子结构的认识是本领域的核心科学问题，它与非晶形成能力、热力学性质和力学行为等密切相关。最近几年利用先进的实验技术和计算方法对原子尺度上的非晶结构有了逐步深入的认识，但是对非晶合金实际结构的了解还远未实现，这是因为现有的实验技术难以对非晶合金的局域结构进行直接表征。胶体体系已被证明是模拟原子/分子体系物理行为的有效手段，它的突出优势是可对单个粒子的行为进行直接观测。胶体体系已被用于模拟研究非晶态材料（包括非晶合金）的玻璃转变、晶化过程和局域结构。本项目利用二元胶体体系，针对现有的实际二元非晶合金形成合金，对非晶形成过程进行模拟，在此基础上深入探讨局域结构、自由体积/缺陷的尺度、分布及其演化规律，从而为非晶形成和流变机制的原子尺度结构因素，提供直接的实验证据。这方面的研究将对非晶合金局域结构的理解及其与性能关联方面的研究提供新的、有价值的启示和直观证据。

结构因素是影响合金非晶形成能力和性能的主控因素之一。研究非晶合金的结构因素，以及微观结构与形成能力之间的关联，对于提高非晶形成能力，开发新的合金体系有非常重要的意义。由于很高堆积密度和很小的原子尺度，现有的表征方法还无法为非晶合金的局域结构提供直观可靠的实验证据。本项目以影响非晶形成的结构因素为主线，利用胶体模拟的实验方法，探讨了非晶合金的结构因素与非晶形成能力、原子结构、动力学性质的关系。.实验结果表明，胶体模拟是用来研究合金的非晶形成能力的有效手段；二元的胶体体系的纯几何因素（粒径比，混合比）对二元合金的非晶形成能力起主导作用；二元体系的时间冻结参数并非随成分单调变化，在某一些成分点出现峰值，这与实际Cu-Hf、Cu-Zr合金的形成能力完全符合。.利用二元胶体体系,针对实际的Cu-Zr二元非晶合金，通过光学观测、径向分布函数、团簇结构分析，研究了成分连续变化对局域结构的影响，发现非晶形成能力好的二元体系的中程有序尺度为10~20个粒子大小，短程有序尺度为2~3个粒子大小，短程有序的基本单元通过五边形团簇单元的最外缘的组成粒子连接成中程序。.以二元胶体体系为基体，添加第三种胶体粒子模拟了第三组元Al对实际的Cu50Zr50非晶合金非晶形成能力和原子结构的影响。研究结果发现，第三组元的加入使得整个体系的粒子分布趋于均匀，抑制了二元体系中粒子的偏聚。三元体系的中程有序尺度为10~20个粒子大小，较二元基体降低。五边形数目在加入第三组元之后有显著提高。.调节胶体体系浓度模拟了实际Cu-Zr二元非晶合金的过冷液态。针对形成能力强的非晶成分，研究了过冷液态结构和动力学性质。二元过冷液态体系的基本短程有序单元为2~3个粒子大小，与对应非晶态相同。但中程有序尺度约10个粒子大小，小于非晶态中的10~20个粒子大小。非晶形成能力强的二元体系中，动力学不均匀性更加明显，表现在弛豫的时间出现的更早，结束的更晚，弛豫时间更长；在弛豫时间段内，扩散更慢。