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金属玻璃相关合金相的团簇式解析

陈季香  
【摘要】:合金体系(尤其是金属玻璃合金和准晶合金)的短程区域内,异类原子易于形成一种比较稳定的第一近邻配位多面体,即团簇,这些团簇包含了其母相的空间局域原子结构信息。但目前对合金晶体相的描述方式仅仅是单胞框架下的一种周期性的平均结果,不能反映近程有序团簇的信息,结构和成分互相分离。 本论文基于前期提出的“团簇加连接原子模型”,从团簇角度出发提出了团簇式描述合金相的成分和结构的方法,这种全新角度对合金相的描述就像化学中的分子式,使宏观意义上的成分描述和微观原子层次上的结构描述联系起来。本论文介绍了前期的针对块体金属玻璃和准晶的“团簇加连接原子结构”模型及其衍生的“团簇线”和“团簇式”,即任何结构和成分均可以分为团簇和连接原子两个部分,从而其成分可以用团簇式表述:[团簇]1(连接原子)x。之后本论文分别阐述了团簇的精确定义、Al-Ni-Zr、B-Co-Si金属玻璃形成体系合金相的团簇式解析、代表近程有序特征的主团簇的提出、以及团簇式在解析块体金属玻璃成分规律中的应用。本文通过总结合金相的团簇结构规律,利用团簇及团簇式体现出了合金相成分和结构之间的关系,并指出可以利用主团簇解析高金属玻璃形成能力合金的成分,甚至能够用于描述共价化合物的结构。主要创新研究结果如下。 首先本论文解决了团簇的精确定义的难题。团簇的近邻壳层原子往往不严格地位于一个壳层上,本文提出利用径向原子密度分布函数来定义密堆团簇,即考虑不同壳层单位体积内的原子个数随着径向的分布,提出具有高径向原子密度且表面呈现三角密堆结构的完整壳层为第一近邻团簇。 进而系统分析了Al-Ni-Zr、B-Co-Si金属玻璃形成体系合金相的团簇构型和相关的团簇式,合金相的成分和结构可以用共享后的有效团簇加连接原子来表示,即用团簇式:合金相=[有效团簇](连接原子)。例如AINiZr (Fe2P)相用团簇式可表示为:[NiAl3Zr3]Ni2。这种简单的团簇式描述合金相的方法,如同化学中的分子式,即给出了合金相的成分,同时也给出了其以团簇为特征的结构信息。合金相因此被划分为两类,无连接原子的非团簇相,如AlNi2Zr(BiF3), BCo2(Al2Cu),和有连接原子的团簇相,如AlNiZr (Fe2P), BCo5Si2(Si3W5)。 由于合金相中往往存在多中团簇,为了确定代表近程有序特征的唯一团簇式,本文从团簇密堆度、团簇共享度及团簇式中连接原子的情况,定义出了最能体现合金相局域原子团簇特征的主团簇概念,如Ni3Zr9团簇为Al2NiZr6(InMg2)相的主团簇,B3Co7团簇为BCo(BFe)相的主团簇。系统分析了主团簇的空间结构及对称性,提出了根据主团簇结构对合金相进行分类的方法,并用于描述Al-Ni-Zr和B-Co-Si体系合金相。这种全新的分类,完全不同于传统意义上的基于单胞周期性平均的描述,体现出了局域空间配位多面体团簇的结构特性的不同,这种能体现近程有序结构特征的合金相描述与分类,为合金成分设计开辟了一个全新的路径。 结合课题组在块体金属玻璃实验方面的工作,本论文提出并实验验证了以主团簇构成的团簇式与玻璃形成密切相关,其一是Al-Ni-Zr体系最佳金属玻璃成分被解释成:Al13.3Ni26.7Zr60=[Ni3Zr9](NiAl2),其中Ni3Zr9主团簇源自晶化相A12NiZr6;其二是B-Co-(Si,Ta)体系最佳块体玻璃成分可表示为两种团簇式的组合,即B26.1Co60.9Si6.5Ta6.5=[B3(Co7Ta)](Si0.5Ta0.5)+[B3Co7]Si。这些结果为利用[团簇]1(连接原子)1,3模型进行金属玻璃成分设计提供了理论依据。 最后作为拓展,本文初步用团簇式解析了氧化物、氮化物及碳化物等共价化合物,说明了此方法的普适性。分析表明共价化合物中由于强烈的共价键作用,团簇结构比较简单,以四面体和八面体为主。


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