破解非晶结构之谜:连接非晶态和晶态的中程序结构单元

非晶态结构本质一直是凝聚态物理和材料科学中最有趣和最基本的问题之一。非晶合金因其简单的金属键结合及密堆积结构而成为研究非晶物理的理想材料模型。研究发现,非晶中存在着不同尺度的局域有序结构,其中5~20埃米尺度范围对应中程序。近来研究揭示其在非晶合金的相变和形变过程中发挥了越来越关键的作用。现有的理论或者实验结果难以确定非晶态材料与其对应的晶态材料间是否存在中程或更大尺度范围的结构联系,同时现有的表征手段难以精确解析其短程到中程尺度有序结构,导致中程序结构解析问题十分复杂。最近在经典大块非晶合金体系钯-镍-磷中通过对一种独特的亚稳立方中间相进行解析,发现了一种桥接非晶态与晶态的手性中程序结构基元六元三帽三棱柱(6M-TTP)。该结构的短程序团簇以一种奇特的手性结构构成约12.5埃米的中程序结构基元,其在铸态为长程无序堆积,而在一定温度可以转变成有序堆积的亚稳立方相。中程序结构的捕获和解析为揭示非晶态结构本质提供了新的结构模型,并且对非晶合金亚稳态中间相的析出动力学规律提出了新的解释。这些发现将有助于阐明非晶合金在中程序以及更大尺度上的结构排列,为解析非晶态的结构本质提供新的思路。

金属玻璃异常放热现象与隐藏非晶相变研究进展

金属玻璃因其简单的金属键结合及原子密堆积结构而成为研究非晶物理的理想材料模型。解开玻璃形成液体的微观结构可以探寻玻璃形成能力的秘诀。许多非晶合金体系在玻璃转变点以上、结晶温度以下表现出异常放热现象,暗示在超过冷液相区间隐藏着非晶相变,这一现象的微观结构本质困扰了学界逾四十年。近来,中子和同步辐射散射等大科学装置的发展为揭示隐藏非晶相变的机制提供了原位、无损以及从原子到纳米级别的多尺度"探针"。最新研究发现Pd-Ni-P这一典型的具有异常放热现象的原型非晶合金在临界转变温度处发生了重入超过冷液体转变,其内在微观机制为中程有序结构的演变所导致的液-液相变。同时通过恰当的热处理,人们可以方便地调控这一类非晶合金的微观结构。经过统计几种具有异常放热现象的典型金属玻璃体系的热物理参数,发现异常放热峰可能与玻璃形成能力有一定的关联。金属玻璃中的异常放热现象及其隐藏的非晶相变为开发新型非晶合金体系并改进合金的性能提供了新的思路。

Pd-Si金属玻璃液-液相变过程的短程-中程序结构演变规律

液-液相变(liquid-liquid phase transition,LLPT)通常发生在多组元金属玻璃超过冷液相区。由于二元合金体系玻璃形成能力有限,LLPT易受结晶干扰,所以二元金属玻璃LLPT的研究鲜有报道。为了揭示二元金属玻璃的液-液相变机制,本工作通过原位同步辐射X射线和透射电子显微镜(TEM)研究了Pd_(82)Si_(18)金属玻璃在超过冷液相区的相变问题。研究发现,在等温退火的初始阶段发生了LLPT,散射结果表明LLPT会降低过冷液体密度,而且使原子结构的关联长度减小。对分布函数结果显示在LLPT过程中,中程尺度上类似于fcc结构的原子-原子连接得到了增强,但短程尺度结构则变得更加无序。TEM结果进一步表明,在LLPT过程中存在纳米尺度的结构不均匀性,印证了LLPT过程的两相共存状态。研究结果为二元合金超过冷液体发生LLPT提供了新的证据,也为揭示金属玻璃中局域结构演变和相变过程提供了新模型。

具有异常放热现象的Fe-Nb-B-Y非晶合金燃烧机理

通过同步辐射原位高能X射线衍射,结合差式扫描量热、热重分析、X射线光电子能谱等检测手段,对具有异常放热现象的铁基非晶合金条带的燃烧机理进行了系统研究。结果表明,相比不具有异常放热现象、无法自蔓延燃烧的Fe-Nb-B-Y非晶合金成分,具有异常放热现象的(Fe_(0.72)B_(0.24)Nb_(0.04))_(95.5)Y_(4.5)非晶条带由于快速晶化放热过程的催化,能够实现低着火点及自蔓延燃烧。与液-液相变相关联的异常放热现象诱导了升温过程中的快速晶化,并导致高温下的多步氧化反应。同时液-液相变导致高温氧化阶段的激活能降低,从而降低反应能垒,促进高温下的氧化反应。研究表明异常放热现象及其关联的液-液相变对铁基非晶合金的燃烧有"诱导活化"作用。