ZrCu基金属玻璃形成机制的短程结构因素研究

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金属玻璃作为一种新的合金材料,因其优异的性能而备受关注。从微观结构角度研究它的玻璃形成机制一直是研究热点。由于金属玻璃不具有长程有序性,因此人们常用一些短程结构因素来描述它的微观结构特征,如配位数、原子对间距、团簇。在金属玻璃研究中,人们常常采用溶剂-溶质的组合,并且认为这种组合为玻璃形成提供了重要结构条件。本文在ZrCu基金属玻璃中选择溶剂-溶质区分程度不同的二元及多元体系,利用同步辐射技术并结合反蒙特卡罗(RMC)拟合方法对它们玻璃形成中的结构因素进行了详细的研究。对Zr54Cu46、Zr70Cu30金属玻璃样品进行同步辐射实验,并结合RMC拟合方法得到三维原子模型。分析发现,二者在原子对间距、配位数方面差异较小。进一步分析两个样品的团簇信息,发现二者团簇结构的主体部分均为二十面体或类二十面体团簇,并且这些团簇与其他团簇一起紧密地填充空间。这说明,尽管Zr54Cu46样品不具备明显的溶剂-溶质区分特征,但它同样能够满足玻璃形成所需的结构条件。这些二十面体团簇或者类二十面体团簇才是玻璃形成的关键结构因素。这也说明,虽然溶剂-溶质组合为玻璃形成提供了很有利的结构因素,但它并不是玻璃形成的必要条件。相比于二元Cu64Zr36样品,四元Cu34Zr14Ti36Pd16样品的玻璃形成能力更高并且溶剂-溶质区分特征较弱,我们对比研究了二者的短程结构因素。分析发现,二者在原子对间距、团簇分布、体积等短程结构因素上的差异较小。在团簇分析的基础上,我们计算了两个样品的原子堆积效率以及团簇的规则度,结果表明四元样品的致密堆积程度更高,而这种更致密的堆积有利于金属玻璃的形成。此外,本次研究从自由体积角度说明两个样品的玻璃形成能力,并详细计算了两个样品以及它们对应的晶态合金中的非原子占据空间并得到了自由体积分布。计算发现,四元样品的自由体积含量比二元样品小。分析认为,玻璃形成能力较高的样品应当含有较少自由体积,即四元样品的自由体积含量越少。
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