收藏本站
《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》 2018年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

过冷液体和金属玻璃的结构与动力学研究

胡远超  
【摘要】:当合金熔体被快速冷却到足够低的温度而不发生晶化时,它就会转变为玻璃态固体。与晶化机制不同,过冷液体因其动力学急剧变慢最后导致结构弛豫时间大于实验观察时间尺度而失去平衡态形成金属玻璃。虽然动力学变化显著,但是玻璃转变过程并不伴随着明显的可以被实验观察到的结构演化。金属玻璃具有类似液体的无序结构,同时具有固体的抗剪切能力,被认为是‘冻结的液体’。因此金属玻璃固体的性质与其过冷液体有较大关系。理解玻璃转变的机制或过冷液体的结构与动力学之间的关系对深入认识金属玻璃和开发新应用具有重要的意义。本文主要使用分子动力学模拟方法对过冷液体和金属玻璃的结构和动力学进行了一系列研究。在不同的金属玻璃体系中,提出使用几何结构参数局域五次对称性来理解金属玻璃体系熔体在超宽温区的动力学特征。通过从原子运动能力,结构空间关联和热力学等角度阐述局域五次对称性的意义建立了它与动力学转变,斯托克斯-爱因斯坦关系失效及其分数形式的出现,动力学非均匀性和慢动力学的关联。发现局域五次对称性是金属玻璃体系中较为普适的可以表征各种动力学特性的结构参量,但并非动力学的结构起源。通过详细研究过冷液体在高压下的结构和动力学特征,发现压强也是可以控制金属玻璃形成的热力学变量。虽然等压冷却和等温压缩都可以导致玻璃转变,但是它们对局域配位结构和脆度的影响不同。通过分析高阶动力学关联函数,直接证实了动力学的不均匀性,即快原子区和慢原子区同时存在。这些不同区域的关联长度随着温度降低增加,并与结构弛豫时间之间符合相同的指数形式关系。虽然所研究的金属玻璃在热力学上不属于强关联体系,但是其结构和动力学遵循相同的密度标度律,表明它们具有标度不变性。通过研究使用原子钉扎技术构建的受限体系,发现虽然特殊局域几何结构在阻碍晶化上具有重要意义,但它们并不是慢动力学的结构起源。根据静态构型的关联表征的静态关联长度才是控制慢动力学的关键因素,而非各种动力学关联长度。虽然动力学不均匀性始终伴随着慢动力学,但是它并不是慢动力学的起源而是必然结果。该静态关联长度可以从无序一级相变理论很好地理解。最后,提出使用等构型系综平均和原子钉扎相结合的新方法来表征金属玻璃原子尺度的结构不均匀性。发现可以根据原子对应力的响应的统计很好地表征出软区和弹性基底。通过分析这些区域的空间分布发现软区呈椭球形而非球形,其关联长度接近剪切转变区。这些软区具有较高的原子势能,较大的自由体积和原子应力,所以较为不稳定,是金属玻璃形变中塑性事件的承载者。并发现键对取向序对理解金属玻璃的结构不均匀性具有重要的意义。利用金属玻璃的本征结构不均匀性,探索了其在对微观结构变化敏感的催化方面的功能应用特性。发现相比于众多晶体催化剂,多组元钯基金属玻璃在电化学分解水制氢反应中具有较高的催化活性和稳定性。这些优异的催化性能起源于金属玻璃表面的结构不均匀性提供的丰富的催化活性位点,说明金属玻璃在催化领域具有巨大的应用潜力,为开发下一代高效催化剂奠定了基础。这些研究结果对揭示玻璃转变的本质,认识金属玻璃形变失效的起源以及开发金属玻璃的功能应用具有重要意义。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TG139.8

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 丁大伟;汪卫华;;神奇的金属玻璃[J];物理教学;2012年07期
2 汪卫华;;金属玻璃[J];科学观察;2017年04期
3 ;力学所金属玻璃变形能力和强度研究获系列进展[J];硅酸盐通报;2015年09期
4 肖军;;开发超强金属玻璃新型材料——建材行业发现新大陆[J];现代技术陶瓷;2014年02期
5 邵梅艳;;金属玻璃栏板施工技术[J];工程质量;2014年S1期
6 徐美君;;美国研制出超级坚固金属玻璃[J];玻璃与搪瓷;2011年02期
7 ;“无瑕”零件:金属玻璃造[J];发明与创新(综合科技);2011年07期
8 ;美制造出单晶体结构金属玻璃[J];硅酸盐通报;2011年03期
9 ;韧性金属玻璃的塑性变形机制——自组织临界态[J];科学通报;2010年34期
10 李峰;;我国微纳米金属玻璃纤维制备获得成功[J];功能材料信息;2010年Z1期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陈岑;王自强;;块状金属玻璃的纯剪实验研究[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年
2 孟积兴;陈艳;龙国荣;姚学锋;;金属玻璃在不同应变率控制条件下的形变及破坏特征[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年
3 魏宇杰;雷现奇;;金属玻璃变形的泊松效应及受限变形诱导强化[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年
4 曾桥石;;金属玻璃中普适的2.5次方幂函数关系[A];第十八届中国高压科学学术会议缩编文集[C];2016年
5 刘凯欣;刘伟东;叶林茂;;高速冲击载荷下金属玻璃的力学特性研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
6 水嘉鹏;刘军民;王玉林;;金属玻璃的弹性模量和动态粘度[A];内耗与超声衰减——第三次全国固体内耗与超声衰减学术会议论文集[C];1991年
7 张新建;陈旭;;块状金属玻璃疲劳的研究进展[A];第十四届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2008年
8 官可洪;曹玉梁;支起铮;郭恩霖;;铁基金属玻璃的热磁特性[A];首届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];1992年
9 孟岭超;曾永彬;房晓龙;朱荻;;镍基金属玻璃电化学特性与线切割试验研究[A];特种加工技术智能化与精密化——第17届全国特种加工学术会议论文集(摘要)[C];2017年
10 沙振东;;高强度大韧性的金属玻璃[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 顾钢;航空航天用金属玻璃材料问世[N];科技日报;2018年
2 本报记者 陆成宽;加个力“看清”金属玻璃[N];科技日报;2017年
3 吕贤如;金属玻璃诞生的启示[N];光明日报;2005年
4 中科院物理所研究员 汪卫华;金属玻璃[N];光明日报;2012年
5 刘霞;美发明处理金属玻璃新方法[N];科技日报;2011年
6 王小龙;美制造出单晶体结构金属玻璃[N];科技日报;2011年
7 李斌;我国有了高性能“金属玻璃”[N];中国技术市场报;2011年
8 本报记者 王冠;金属玻璃:比塑料易塑,比不锈钢还刚[N];科技日报;2011年
9 陈捷刘茜 记者 束洪福;金属玻璃能“感知冷暖”[N];科技日报;2008年
10 本报记者 董鸿乐丁玎;胜芳离全球金属玻璃家具采购中心有多远[N];国际商报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 胡远超;过冷液体和金属玻璃的结构与动力学研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2018年
2 董丹丹;金属玻璃和固溶体合金的成分根源:近程序结构单元[D];大连理工大学;2017年
3 王超;金属玻璃力学行为及其微观机理的初探[D];浙江大学;2017年
4 张林基;铈基金属玻璃的多形态相变和非晶硫的结构与相变研究[D];西南交通大学;2018年
5 王兵;金属玻璃低温弛豫机制的计算模拟研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2018年
6 葛天培;金属玻璃的流变单元与时间[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2017年
7 吕玉苗;金属玻璃近表面区域力学行为及动力学研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2017年
8 时金安;金属玻璃动力学的透射电子显微学研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2017年
9 孙奕韬;金属玻璃的多尺度、多维度研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2017年
10 Amir Gulzar;流变单元与金属玻璃的热力学、力学性质[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2017年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵茜;金属玻璃形成液体的动力学特性研究[D];山东大学;2018年
2 李珊;铜锆金属玻璃塑性变形机制的模拟研究[D];西安石油大学;2018年
3 简武荣;原子尺度下金属玻璃及其复合材料力学性能研究[D];华南理工大学;2018年
4 喻凯铭;Zr-Co-Al块体金属玻璃的结构与力学性能研究[D];浙江大学;2018年
5 高谦;Cu基金属玻璃的特征温度与成分之间关系的研究[D];西安工业大学;2017年
6 郑海姣;金属玻璃形成液体的异常动力学行为研究[D];山东大学;2017年
7 常振宇;铁基大块金属玻璃的开发与性能表征[D];浙江大学;2009年
8 葛锜;有限元方法模拟压痕实验研究残余应力对金属玻璃硬度的影响[D];浙江大学;2008年
9 唐明奇;铜钛基金属玻璃的耐磨性研究[D];郑州大学;2006年
10 王咏萱;金属玻璃非正交滑移线场切削模型研究[D];燕山大学;2017年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026