Al72Ni16Co12液态合金的输运性质及Stokes-Einstein关系式异常失效的分子动力学模拟

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液体的输运性质,例如自扩散系数和粘度,对于晶体形核及生长、液态-非晶态转变过程以及非晶合金的力学性能都具有重要影响。自扩散系数和粘度的耦合及解耦反映了液体微观动力学的变化,因此Stokes-Einstein(SE)关系式一直是材料学及凝聚态物理领域的研究热点。近年的研究表明,对一些体系而言SE关系式在远高于熔点温度以上已经发生异常失效,这与人们关于SE关系式的通常认识有很大的不同。因此,对SE关系式的异常失效行为及失效机制的研究具有重要意义。本文通过分子动力学方法计算了Al72Ni16Co12液态合金的输运性质,并研究了不同温度下Stokes-Einstein(SE)关系式的成立情况。在研究液体结构、组元动力学解耦及动力学空间不均匀性的基础上探究了SE关系式高温异常失效的物理机制。本文利用Al72Ni16Co12液态合金内原子的均方位移计算不同组分的自扩散系数,使用反向非平衡分子动力学方法计算了该液态合金的粘度,使用中间自散射函数计算了不同元素的α结构弛豫时间。在自扩散系数、粘度和α结构弛豫时间的基础上,探讨了粘度和弛豫时间两种形式的SE关系式的失效情况,并计算了失效温度。研究表明液体中Al和Ni原子的SE关系式的失效温度远高于理论预测的临界温度,而Co原子的SE关系式在所有实验温度下都失效,同时Co原子的有效半径也随温度异常变化。本文通过计算Al72Ni16Co12液态合金的α弛豫过程的耦合参数以及非高斯参数来表征液体的动力学不均匀性,通过计算液体内不同元素的自扩散系数的比值来表征液体内不同元素的动力学解耦行为。通过分析动力学不均匀性随温度的变化,研究发现低温下液体的动力学不均匀性急剧增强,且液体内Co的动力学与其它元素发生了解耦,这与SE关系式的异常失效以及Co原子的异常表现密切相关。本文通过计算Al72Ni16Co12液态合金的原子的双体分布函数表征液体的结构特征,通过原子团簇的Voronoi指数分析来表征液体内的局域五次对称性。通过计算和分析该合金熔体的结构随温度的变化,研究发现Co原子间的作用力非常强,且液体的结构在低温下也发生了明显的变化,这也与SE关系式的异常失效以及Co原子的异常表现密切相关。综合分析该合金液体在不同温度下的动力学参数以及结构性质,得到了该合金液体SE公式高温异常失效以及Co原子异常表现可能的原因。
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