金属玻璃快速表面动力学的分子动力学研究

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金属玻璃也称非晶合金,其基本特征是原子排布长程无序,因而具有优异的物理、化学和力学性能。作为非平衡态的材料,弛豫是金属玻璃固有的特征,对金属玻璃弛豫动力学的研究有助于分析其结构,探索其应用。近年来,研究发现金属玻璃表面具有类液行为,表现出快速动力学。但是,受限于金属玻璃的微观结构难以表征,到目前为止,对于金属玻璃的表面特性,人们了解的还不够清楚。本文利用分子动力学模拟,对铜-锆金属玻璃体系在退火过程中的动力学行为进行系统地分析研究,并且结合其微观结构,我们得到了铜-锆金属玻璃表面独特的动力学行为特征。本文的主要工作如下:首先定量分析了退火过程中铜-锆金属玻璃各个区域的α弛豫时间,研究发现表面的α弛豫时间要明显快于体内区域。通过对原子运动形式的进一步分析,我们发现位于表面的原子运动较为剧烈,且大多呈现出无规则的扩散,而位于体内的原子运动明显减慢,并且呈现出链状协同运动。此外,通过分析不同温度下表面和体内原子的位移分布,我们发现处于较低温度下表面区域的原子和较高温度下体内区域的原子有着一致的动力学特征。这些结果都证明了金属玻璃表面具有快速的动力学行为。同时,我们发现在低于玻璃转变温度以下进行退火时,在一些温度下金属玻璃出现了明显的晶化现象。通过对铜-锆金属玻璃的微观形貌进行细致分析,我们发现这种晶化现象沿着表面迅速扩展,其表面生长速度要明显快于体生长速度。我们的结果证明了金属玻璃的表面晶化现象是由其表面快速动力学引起的。我们的工作揭示了金属玻璃表面快速动力学行为的一些现象和基本规律,为进一步加深对非晶态材料表面、界面和低维科学问题的理解提供了理论依据,对非晶态材料的研究和发展具有推动作用。
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