铈基金属玻璃的多形态相变和非晶硫的结构与相变研究

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1、国内图书分类号：O521+.23密级：公开国际图书分类号：538.9西南交通大学研究生学位论文铈基金属玻璃的多形态相变和非晶硫的结构与相变研究年级二零一四级姓名张林基申请学位级别博士专业材料科学与工程指导教师刘秀茹副教授赵勇教授合作导师杨文革研究员二零一八年五月ClassifiedIndex:O521+.23U.D.C:538.9SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationSTUDYABOUTPOLYAMORPHICPHASETRANSITIONOFCERIUM-BASEDMETALLICGL

2、ASSESANDSTRUCTUREANDPHASETRANSITIONINAMORPHOUSSULFURGrade:2014Candidate:ZhangLinjiAcademicDegreeAppliedfor:DoctorshipSpeciality:MaterialScienceandEngineeringSupervisor:Prof.LiuXiuruProf.ZhaoYongCooperationsupervisor:Prof.YangWengeMay.2018西南交通大学博士研究生学位论文第I页摘要非晶结构及其相变问题是凝聚态物理学备受关

3、注的前沿课题，两种不同的非晶相之间的转变称为非晶多形态相变。本论文对两种不同的非晶体系，即金属玻璃和非晶硫开展了非晶多形态相变研究。压力、温度是改变物质状态的基本物理参量。压力可以改变物质内部的原子间距、调制原子结构，改变相邻原子电子轨道的重叠等。研究高压下金属玻璃的非晶多形态相变对于认识金属玻璃的无序结构有重要参考价值。非晶材料热动力学行为的研究如玻璃化转变、过冷液体到液体的相变等属于温度引起的非晶多形态相变。单一成分的非晶硫是研究无序体系的理想对象。相比于熔体急冷法和晶体硫压致非晶化法，本课题组采用快速压致凝固法制备的大块非晶硫具有高热稳定性、不

4、易晶化，为在室温以上条件下研究非晶硫的结构和相变提供了独特条件。本论文分为以下几部分：（一）本文采用同步辐射X射线衍射和高压下电阻测量研究了金属玻璃Ce70Al10Cu20和Nd60Fe30Al10多形态相变。X射线衍射实验结果表明这两种金属玻璃在压力作用下出现了从低密度非晶态到高密度非晶态转变，Nd60Fe30Al10在21.09GPa体积塌缩为8.4%，Ce70Al10Cu20在8.39GPa体积塌缩为2.7%。通过长条形对顶压砧测量了高压下这两种金属玻璃的电阻变化，发现Ce70Al10Cu20在1.73GPa时出现电阻率变化斜率的不连续，与X射

5、线衍射观察到的多形态相变初始压力基本一致。（二）采用同步辐射X射线衍射和径向分布函数研究了压力诱导金属玻璃Ce60Al20Cu20和Ce55Al45从低密度到高密度的非晶多形态相变。Ce60Al20Cu20和Ce55Al45分别在3.50-6.32GPa和2.20-6.89GPa出现体积随压力的不连续变化。通过径向分布函数得到不同压力下Ce55Al45和Ce60Al20Cu20最近邻原子间距离以及不同壳层原子间的相对距离变化，发现相变过程中的体积塌缩与压力引起键的缩短有关，并推测这种多形态相变是压力引起的4f电子的去局域化和局域原子重排的共同影响导致

6、。（三）通过同步辐射X射线衍射、径向分布函数和拉曼光谱研究了非晶硫反常放热熔化过程。结合实验数据及简单的链模型我们推测非晶硫是由平均链长为16的聚合链和S8环组成，二者的重量百分比约为7：3。放热熔化过程中非晶硫的第一最近邻原子配位数由1.92降为1.81，聚合链的拉曼振动峰461cm-1强度明显下降，说明熔化过程中聚合链发生断裂。此外还提出Re-entryof-Tansition，即非晶硫在制备过程中一定程度上保留了母液体的结构（即λ转变后的液态硫结构），通过放热熔化转变为λ转变前的液态硫，进一步加热，λ转变前的液态硫再次转变为λ转变之后的液态硫

7、结构。（四）对转变前后液态硫快压凝固制备的两种非晶硫进行了对比研究，采用差示扫描量热分析、紫外-可见吸收光谱法和拉伸实验测量了两种非晶硫的玻璃化转变温度、吸收光谱以及应力应变曲线。发现在相同温度较高压力下制备的非晶硫具有更高的玻璃化转变温度，较高的增压速率和较大的增压幅度可以获得更多的聚合链。相同压力、第II页西南交通大学博士研究生学位论文不同母液体温度制备得两种非晶硫的光学带隙分别为2.24eV和2.49eV，在25μm/s的拉伸速率下断裂强度分别为718.6KPa和949.1KPa，断裂伸长率分别为3007.3%和2560%。综上，本论文围绕非

8、晶多形态相变开展了一系列的工作，包括室温下压力引起金属玻璃多形态相变、常压下温度引起的非晶硫过冷液体到液体的