Zr基大块非晶合金的稳定性及其团簇模型的研究

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1、摘要(Abstract)摘要非晶态材料是相对于传统的晶态材料而言的。主要包括氧化物玻璃，高分子聚合物，非晶态半导体以及金属玻璃，由于其结构的无序性而表现出的独特物理与化学特性，已成为凝聚态物理与新材料设计的前沿课题。本文首先回顾了非晶合金的发展历史以及国内外的研究现状；总结了人们在非晶的形成能力，结构弛豫和晶化，以及结构模型方面的研究成果；并讨论了非晶合金在纳米复合方面的潜在应用和面临的问题。非晶合金作为一种亚稳相，随着温度的升高，会发生一系列的结构演化，最终形成稳定的晶化相导致性能的恶化。因此，非品的稳定性是决定

2、非晶应用范围的重要因素之一。本文首先考察了低于Tg温度的退火、动载荷以及超强磁场对zr62A18Nil3Cul7非晶合金晶化过程的影响，分析非晶合金在特定条件下的稳定性变化。另一方面，根据组织遗传性原理，认为析出相必然保留着与母相的某些结构的特征，尤其在局域结构范围内。从团簇的角度，引入基于第一性原理的离散变分法理论，考察了非晶合金的稳定性与其团簇电子结构的关系；领先晶化相间的结构共性及其电子结构。然后在TiZrNi合金系中，分析了从准晶到Bergman相的结构变化规律和在ZrTiAICu，ZrTiAINi合金中，

3、析出相的结构随Ti／Zr比的变化规律，进一步证实这些合金相间的结构共性。研究表明预弛豫和动载荷促进了该合金的晶化转变，而超强磁场则对之起到明显抑制作用。非晶稳定性很大程度取决于外界条件对临界晶核形成的影响，换句话说，即短程序范围内团簇的稳定性。EXAFS的结果表明zr．Ni，Zr．Cu非晶合金与其同成分的晶化相问存在相近的近邻原子排列。采用适合于团簇计算的离散变分Xa方法，讨论了Al及其它合金元素对这两类非晶合金稳定性的影响，发现非晶的稳定性与团簇内原子间的亲和力密切相关，稳定非晶的Fermi能级位于能隙处，基本满

4、足Nagel．Tauc推论。对Zr基大块非晶合金的常见晶化产物一准晶，fcc—Zr2Ni或MgCu2型相，tI．Zr2Cu，hp．Zr6AlzNi或hp．MgZn2型相的团簇分析表明：这些合金相主要基于两种结构单元，二十面体和Gaskell多面体结构。fcc—Zr2Ni，fee—MgCu2以及hp．MgZn2型相中存在由双生二十面体堆垛的两壳层Bergman团簇；在tI—Zr2Cu中，团簇转变为与二十面体相关的截角八面体堆垛结构；而在hp—zr6A12Ni中，以zr原子为中心，存在五棱柱覆盖两个五棱锥的结构单元，若

5、使得两个五棱锥相对倾转360，其将会转变为二十面体结构，而以Ni，Al原子为中心则存在Gaskell多面体(三棱柱覆盖三个半八面体结构>。虽然运种结构类似于Gaskell提出的金属一类金属(T3M型)非晶的局域结构单元，但具体的堆垛模式发生了改变。根据Bergman团簇模型，同样采用离散变分Xct方法考察三种Bergman团簇的稳定性。电子结构的计算表明，三种团簇的态密度曲线和(】00)晶面上电荷密度的分布反映出的fcc相和hp相的稳定性与实验结果基本一致。说明摘要(Abstract)这三种相的稳定性可以通过其中的

6、Bergman团簇来反映。同时也证实了“要提高非晶形成能力，并不只是要提高液相的稳定性，而且要使得对应的晶体相失稳”的观点。一定量的Fe可以促进TiZrNi准晶向cF96相转变，而Al则促进其向hp(C14)相转变。在Zr64Cu29A18非晶中，用Ti置换Zr，随着n含量的增加，析出相为非晶加tI．Zr2Cu，非晶加hp(C14)，最终完全为hp(C14)相。在Zr60Ni20A120非晶中，同样用Ti置换Zr，8％Ti时析出相为非晶加hp—Zr6A12Ni以及少量hp(C14)，15％Ti时为hp—zr6A12

7、Ni与hp(C14)相的混合。这种析出相的变化规律也进一步说明在这些合金相间存在结构的共性，反映了局域团簇的演化趋势。合金中的团簇可以部分反映出块体材料的特性，展望未来，若以团簇作为合金化设计考虑的基元，通过控制团簇稳定存在的条件，选择不同特性的团簇组合，将会设计出具有不同特性的新型材料。关键词：大块非晶合金，稳定性，zr基非晶合金，离散变分法，团簇模型，Fermi能级摘要《Abstract)AbstractAmorphousmaterials，counterparttotraditionalcrystalline

8、materials，mainlyincludeoxideglasses，macromoleculepolymers，semiconductorsinamorphousstateandmetallicglasses．Havinguniquephysicalandchemicalpropertiesduetotheirdisorderstructures．the