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金属玻璃原子结构的同步辐射研究

专 业: 材料物理与化学
关键词: 同步辐射 原子结构 金属玻璃 微观结构
分类号: TQ171
形 态: 共 121 页 约 79,255 个字 约 3.791 M内容
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内容摘要


金属玻璃材料的微观结构是一个热点研究方向,它对于了解金属玻璃的形成机制及其优良的物理化学性能有着重要的意义.目前,人们提出几种原子结构模型试图解释其微观结构.发展规律为,从简单的原子无规密堆到团簇密堆结构;从短程有序到中程有序.由于金属玻璃结构存在长程无序而短程有序的特点,且成分较为复杂,不同样品的微观结构差异性较大,因此人们对其结构的了解程度远远不足.在本文中,选用Zr基和Cu基金属玻璃材料作为研究对象,坚持从简单到复杂体系的研究原则.主要利用同步辐射技术开展实验工作,如XANES、EXAFS和XRD等测试方法;并且结合实验数据进行RMC拟合,对金属玻璃的原子结构进行仔细的研究. 应用同步辐射技术研究Zr<,70>Cu<,29>Pd<,1>金属玻璃制备态及其不同退火程度样品的微观原子结构演化.通过对Cu、Zr和Pd K边吸收谱的XANES分析和EXAFS拟合,证实Zr<,70>Cu<,29>Pd<,1>三元及其对应的Zr<,70>Cu<,29>Pd<,1>二元金属玻璃在退火出现Zr<,2>Cu晶体相之前,二者原子结构非常相似,主要由二十面体团簇构成,体现非晶材料结构的短程有序性.其中Cu原子占据团簇中心和球壳两种位置,使得团簇相互连接并长大,在尺度上甚至形成中程有序,但不足以实现长程有序;Zr原子只排布于团簇的球壳位置.团簇球壳上存在两种差异较大的原子间距,是略有畸变的二十面体.拟合结果表明Pd原子近邻配位数为6,说明它进入二十面体之间的大八面体空隙.Pd原子连接近邻二十面体,促使Zr<,70>Cu<,29>Pd<,1>在退火过程中出现长程有序的二十面体准晶先析出相.同时解释了对应的Zr<,70>Cu<,30>在退火时不会出现该准晶相的原因.

在前人的工作基础上,提出一种观点,认为二元金属玻璃可由与之成分比较接近的某种团簇构成其结构基本单位,而且在一个较小的成分区域这种团簇都是金属玻璃的主要结构单位.考虑几何拓扑堆积和化学短程有序等因素,推出几种筛选优化团簇的标准.选择具有很宽非晶形成成分区域的Cu-Zr二元体系,制备了三种与Cu<,64>Zr<,36>二元大块金属玻璃成分相近的样品,应用同步辐射EXAFS实验研究它们的原子结构.判定优选出的与之成分接近的Cu<,8>Zr<,5>二十面体团簇是其主要结构单位.其中Cu原子占据团簇中心位置,其周围原子比较有序;Zr原子只位于团簇球壳上,其近邻原子排布比较无序.该观点为寻找二元金属玻璃最佳成分提供了一种新的设计路线.实验进一步证实,通过第三元素掺杂,可将该方法推广到对应的三元体系中,制得大尺寸金属玻璃.

为了比较不同制备方法和条件对同一金属玻璃材料微观结构的影响,分别用水淬法和冲击波法制得了典型的Zr<,41>Ti<,14>Cu<,12.5>Ni<,10>Be<,22.5>大块金属玻璃.采用高能量同步辐射XRD技术对其进行测试.通过对SQ和gr谱的比较和解谱认为二者的微观结构比较接近,只存在微小的差异.具体差异表现为:在平均原子间距为2.4-5.6A的第一和第二近邻范围内,冲击波法制备的样品更为致密,平均配位原子较多;在5.6-9.5A的间距范围内,反而是水淬法制备的样品更为紧密,配位原子略多.认为冲击波法引入的自由体积囤积在团簇之间的位置司能是导致该结果的原因.二者的最近邻原子平均配位数均超过14,说明在两种样品微观结构中,原子均按比较致密的方式进行堆积.

采用高能量同步辐射XRD技术对三元Zr<,70>Cu<,29>Pd<,1>和二元Zr<,70>Cu<,30>金属玻璃的结构进行测试.其中,前者SQ谱中存在明显的预峰,而后者SQ谱未出现预峰现象.运用RMC拟合方法得到Zr<,70>Cu<,29>Pd<,1>的SQ理论谱和对应的原子结构模型,证实Pd原子的存在是预峰形成的主要因素.再用RMC拟合方法判定Pd与其第二壳层原子的间距在4.6-4.8 A范围内,非常接近于预峰在实空间gr最大的贡献峰值:4.6 A.这种原子对可能形成中程有序,是SQ谱中形成预峰的根本原因.Zr<,70>Cu<,30-x>Pd<,x>x=5,10,20和30﹪金属玻璃系列的SQ谱不出现预峰,很可能是因为八面体空隙稀少,过量的Pd原子占据其他位置导致Cu原子为中心的二十面体基本结构被破坏,降低了Pd原子近邻原子的排列有序性,在低Q区域对SQ的贡献减弱.该结论可能解释一些金属玻璃SQ谱中预峰的形成机制.

为了解 Zr<,70>Ni<,30>金属玻璃的微观结构及其对退火过程中相转变的影响机制,利用RMC方法结合XRD和EXAFS数据进行拟合.使用 Voronoi 分形方法从RMC结果中提取团簇并标定,得到Zr<,70>Ni<,30>金属玻璃的原子配位数和团簇分布情况.结果表明Zr<,70>Ni<,30>金属玻璃中主要由Z11 Kasper团簇和畸变的二十面体团簇构成,与两种亚稳相的局域原子结构差异较大,因此在退火过程中不生成该亚稳相.同样分析了Zr<,70>Cu<,30>和Zr<,70>Pd<,30>金属玻璃材料.认为二元金属玻璃的原子结构与其对应中间亚稳相和稳定晶体相局域原子结构的异同性,对退火过程中相转变的影响极为重要……

全文目录


文摘
英文文摘
第1章 绪论
1.1引言
1.2金属玻璃发展简史及性能特点
1.3金属玻璃形成机制和判据
1.4金属玻璃制备方法
1.5金属玻璃微观结构
1.6本文的选题依据和主要研究内容
第2章 同步辐射测试方法
2.1同步辐射简介
2.2同步辐射实验方法
第3章 Zr70Cu29Pd1金属玻璃的原子结构
3.1引言
3.2样品制备与实验方法
3.3实验结果与分析
3.4本章小结
第4章 CuZr二元体系结构研究与成分设计
4.1引言
4.2团簇选取基本原则
4.3实验方法及结果分析
4.4本章小结
第5章 冲击波法制备Vit1材料的短程结构
5.1引言
5.2制备方法与实验过程
5.3实验结果与分析
5.4本章小结
第6章 Zr70Cu29Pd1金属玻璃预峰的成因研究
6.1引言
6.2实验过程
6.3实验结果和分析
6.4本章小结
第7章 Zr70Ni30金属玻璃的原子结构
7.1引言
7.2实验过程与数据处理
7.3实验结果与分析
7.4本章小结
第8章 总结
参考文献

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中图分类: > TQ171 > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 玻璃工业

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