基于团簇加连接原子模型的一种工业微晶玻璃成分优化初探

本团队提出的团簇加连接原子模型从结构根源上揭示了硅酸盐玻璃的成分载体,即硅酸盐玻璃的成分式由总数为16个的三价单元{M_(2)O_(3)}和四价单元{Si_(2)O_(4)}构成。本工作引入该模型,对一种工业微晶玻璃MT3A进行了成分优化,并进行玻璃制备和晶化,最后对样品进行结构和性能表征。在获得的新的透明微晶玻璃中,MT3C的透过率为89%,抗弯强度和硬度分别为155 MPa和652 HV;MT3D的透过率为92%,抗弯强度和硬度分别为134 MPa和655 HV。

基于团簇加连接原子模型对TC21钛合金的成分优化

运用源自最成熟Ti-6Al-4V合金的双团簇成分式,解析了高损伤容限的双相TC21(Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-2Nb-1.5Cr)钛合金成分,指出其成分式由13个α-Ti和4个β-Ti结构单元构成。与Ti-6Al-4V相比,β-Ti结构单元从5减少到4,但是引入了更多的β稳定元素,使得该合金具有更好的强塑性。在此基础上,本工作将TC21的β-Ti团簇式内各β稳定元素原子等比例配比以增加混合熵,大量增加Zr含量以进一步提升β相稳定性,设计了团簇式为α-{[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))}_(13)+β-{[(Al-(Ti_(12)Zr_(2))]Sn_(0.75)Mo_(0.75)Nb_(0.75)Cr_(0.75)}_(4)(原子分数)的新合金TC21Z2,相应质量分数为Ti-5.9Al-5.4Zr-2.6Sn-2.1Mo-2.0Nb-1.1Cr。采用真空铜模倾铸工艺进行样品制备,进而研究了合金的铸态组织和拉伸力学性能。研究发现,TC21Z2铸态组织为α+少量细针状α'马氏体+少量β相,其抗拉强度约为1289 MPa,屈服强度约为1181 MPa,伸长率约为1.4%,强度和塑性均高于同样状态下TC21合金。

基于团簇加连接原子模型定量分析阳离子掺杂ZnO电子载流子浓度

目的定量分析阳离子掺杂ZnO材料中最优化阳离子掺杂量及电子载流子浓度。方法基于团簇加连接原子模型,解析并建立阳离子掺杂ZnO材料的团簇式结构,计算最优阳离子掺杂量条件下的电子载流子浓度。根据理论分析结果,设计Sn掺杂ZnO材料,并利用磁控溅射方法制备Sn掺杂ZnO薄膜。通过紫外可见分光光度计、霍尔效应测试仪等分别评价Sn掺杂ZnO薄膜的透光率和电子载流子浓度。结果以纤锌矿ZnO为研究体系,基于团簇加连接原子模型,建立纤锌矿ZnO的团簇式{[Zn-O4]Zn3}。在此基础上,建立纤锌矿ZnO超团簇结构:{中心团簇式}-{第一近邻团簇式}6-{连接团簇式}={[Zn-O4]Zn3}-{[Zn-O4]Zn3}6-{[Zn-O4]Zn3}=Zn32O32。基于纤锌矿ZnO超团簇结构,建立阳离子掺杂ZnO的超团簇结构{[M-O4]Zn3}-{{[M-O4]Zn3}{[Zn-O4]Zn3}5}-{[M-O4]Zn3}=M3Zn29O32,给出最优化元素配比AM︰AZn=10.34%。根据阳离子掺杂ZnO的超团簇结构M3Zn29O32,定量计算出Al3Zn29O32的最优化电子载流子浓度为3.935×10^21 cm^–3,并分析实际应用的AlZn31O32薄膜的电子载流子浓度仅为最优化理论值1/10的原因。最终,设计并制备SnZn31O32薄膜,其在可见光波段(450~800nm)的平均透光率为80.25%±1.74%,电子载流子浓度为(7.72±1.68)×10^20 cm^–3。结论团簇加连接原子模型能够定量解析阳离子掺杂ZnO材料体系中掺杂量与电子载流子浓度,可为设计高性能阳离子掺杂ZnO材料提供理论指导。基于团簇加连接原子模型设计的SnZn31O32薄膜,具备透明导电性质,通过进一步的研究,有望成为具有高电子载流子浓度的新型透明导电氧化物材料。

以团簇加连接原子模型解析Cr-C共晶成分

Cr-C体系材料是重要硬质防护涂层的代表,具有共晶特征.我们的前期工作指出,共晶合金满足双团簇近程序结构模型,由两种稳定液体亚单元构成,各自满足理想非晶团簇成分式,这里的第一近邻团簇来自相关共晶相.显然共晶成分解析的关键在于获得团簇,而相结构中往往存在多种团簇,进入到非晶/共晶团簇成分式的主团簇定义是关键环节.本文通过应用Friedel振荡理论及原子密堆,以团簇分布的球周期性及孤立度为判据,以Cr-C共晶相为例,进一步细化了共晶相中的主团簇选择流程,再搭配以2,4或6个连接原子,获得了描述共晶成分Cr_(86)C_(14)和Cr_(67.4)C_(32.6)的双团簇成分式:[Cr-Cr_(14)+C-Cr_9]Cr C_3和[C-Cr_9+C-Cr_8]C_6,其中四种团簇分别来自共晶相Cr,Cr_(23)C_6,Cr_7C_3和Cr_3C_2.该工作进一步证实了团簇加连接原子模型在共晶点解析中的普适性,并从理论上支持了相关的材料设计.

Ni-Al-Cr合金中团簇加连接原子模型的第一性原理计算

通过团簇加连接原子模型研究了Ni-Al-Cr合金的近程序结构和物理特性.以Al原子为中心,其周围第一近邻的12个Ni原子作为壳层原子,位于次近邻的Al原子和Cr原子作为连接原子,即[Al-Ni_(12)]Al_(x)Cr_(3-x),其中x=0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5.形成能表明团簇加连接原子模型对应的结构比其他结构更稳定.差分电荷密度显示了Ni,Al,Cr原子间的电荷密度转移主要聚集在Ni-Al和Ni-Cr之间,说明Ni-Al和Ni-Cr之间比AlCr和Ni-Ni更容易成键.能带结构显示了Ni-Al-Cr合金材料均具有导体性质,且Ni-3d,Al-3p和Ni-3d,Cr-3d之间发生了明显杂化效应,验证了Ni-Al和Ni-Cr之间存在较强的相互作用.

基于团簇加连接原子模型设计Mg-7.1Al-3.0Ce高强铸造合金

采用了团簇加连接原子模型描述了Mg-Al-Ce固溶体中的近程有序结构,构建了该类合金的理想成分式[(Al,Ce)_1-Mg_(12)]Mg_1,并据此设计了成分为[(Al_(0.925)Ce_(0.075))-Mg_(12)]Mg_1(Mg_(92.86)Al_(6.61)Ce_(0.54),at%;Mg-7.1Al-3.0Ce,mass%)的ACe73合金,通过永久模重力铸造(PM)工艺获得铸态合金。结果表明:合金显微组织为α-Mg基体中均匀分布着大量不连续的β-Mg17Al11相和针状Al_(11)Ce_3相,拉伸实验测得该合金抗拉强度为210 MPa,屈服强度为99.3 MPa,伸长率为9.0%,相比于其他PM工艺制备的Mg-Al-Ce铸态合金,强度最高。

面心立方固溶体合金的团簇加连接原子几何模型及典型工业合金成分解析

工业合金牌号的成分选择体现了固溶体合金的化学短程有序结构,满足由最近邻两层原子组成的"团簇加连接原子"模型,例如对于置换型面心立方固溶体Cu-Zn,其合金牌号成分可以表述为[Zn-Cu_(12)]Zn_(1-6)和[Zn-Cu_(12)](Cu,Zn)_6,其中方括号内为第一近邻配位多面体团簇.基于此,本文赋予团簇式以具体原子结构的含义,对置换型面心立方固溶体结构中团簇的可能存在形式进行了穷尽,得出团簇式所对应的所有"团簇加连接原子"结构单元模型,给出团簇和连接原子之间的比例和空间排列的所有可能,并对Cu-Zn和Cu-Ni合金常用牌号对应的团簇式给出了三维结构模型,进一步验证了前期关于合金团簇式解析的正确性.用这些模型中原子化学序描述合金的成分,赋予团簇式以具体的原子结构意义,为进一步开发新的合金提供了理论依据.

合金相的“团簇+连接原子”模型与成分设计

以最近邻配位多面体为基元描述复杂合金相的结构特征,总结出合金相的常见团簇类型,并建立了合金相的"团簇+连接原子"模型。以此为基础解析准晶和非晶合金为代表的团簇合金的结构与团簇成分式特征,提出复杂合金相成分设计的团簇式方法,并以块体非晶合金和稳定固溶体合金为例说明多组元合金相团簇成分式的建立与运用过程以及团簇基元及连接原子种类与数目的确定原则。前期研究工作表明,基于"团簇+连接原子"模型的团簇成分式方法为多元复杂合金相定量设计提供了新的有效途径。

添加Al对Cu基合金非晶形成能力影响的团簇模型

在二元Cu-Zr合金中添加Al元素可明显提高合金的非晶形成能力。根据非晶与其晶化相存在结构遗传关系,以Cu-Zr基非晶晶化相Cu10Zr7中的Cu6Zr5阿基米德反棱柱为团簇模型,利用离散变分方法从电子层次研究了Al元素对Cu基非晶合金团簇稳定性的影响。结果表明:当团簇中加入一个Al原子时,Fermi能级处的态密度明显降低,团簇稳定性提高;但继续加入Al原子,Fermi能级处的态密度又开始上升,态密度处于较高位置,团簇稳定性下降;计算结果与实验结果相吻合。

用液滴表面应力模型计算铜、银、金团簇中最近邻原子间距离收缩

本文介绍了团簇的液滴表面应力模型的建立,并应用该模型计算了铜、银、金团簇的最近邻原子间距离伴随团簇尺寸减少的收缩曲线,与EXAFS实验的结果取得了一致。

金刚石(110)氢化表面原子团簇模型及脱氢反应的量子化学研究

应用ＭＮＤＯ（ＵＨＦ）方法，从脱氢反应出发研究了金刚石（１１０）氢化表面的原子团簇模型，给出了（１１０）面脱氢势垒的理论预言值。

团簇式方法设计具有高比强度的Ti-7Al-2V合金

基于团簇式设计方法,采用激光增材制造工艺制备一种近α型Ti-7Al-2V合金,其比强度优于Ti-6Al-4V合金的比强度。该合金的成分式为α-{[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))}_(15)+β-{[Al-Ti_(14)](V_(3))}_(2):其特征在于α结构单元比例提高为15/17(相对于Ti-6Al-4V的12/17),使合金成分偏向α-Ti;通过V元素合金化,提高了β-Ti结构单元稳定性。该合金具有良好的激光增材制造成形性。沉积态下,该合金的显微组织由细网篮组织区、粗网篮组织区和超细α魏氏组织区构成。其中,粗网篮组织区的表面粗糙度明显低于细网篮组织区和超细α魏氏组织区的表面粗糙度。细网篮组织区的α相分布相比于粗网篮组织区更加均匀。该合金的抗拉强度为971~1005 MPa,屈服强度为891~921 MPa,伸长率为4.5%~6.6%,均与Ti-6Al-4V的相近,尤其是该合金的比强度为224~232 kN·m/kg,优于Ti-6Al-4V合金的比强度。

用类氧原子波函数计算H_7^-团簇正八体中心结构的能量曲线

选用类氧原子波函数，在单中心球模型近似下，利用变分法计算了Ｈ－７团簇正八面体中心结构的能量曲线。结果表明，当中心Ｈ原子核到顶角Ｈ原子核之间的距离Ｒ＝１．５８ａ０时，体系能量有一极小值－４．０８９４５３ｈ．ａ．ｕ．。这表明Ｈ－７的正八面体中心结构是可能稳定存在的。计算结果与用ＭＡＣＱＭ法计算的结果基本相符，表明提出的物理模型及其计算方法是合理的。

用类O原子波函数对H_9^+团簇的体心立方结构与能量的研究

在单中心球模型近似下 ,选用类O原子解析函数 ,用变分法计算了H+9团簇体心立方结构与能量。结果表明当中心氢原子核到顶角氢原子核之间的距离R =1.97a0 时 ,体系能量有一极小值E =- 4.376h0 (a0 =0 .5 2 9177× 10 -10 m ,h0 =2 7.2eV)。这表明H+9团簇的体心立方结构是稳定的结构 ,H+9团簇是存在的。

基于团簇式设计的高温高强钛合金组织性能研究

现用于激光熔化沉积的钛合金,通常是已有的工业合金,并没有考虑到激光熔化沉积工艺的特殊性。此外,高端装备领域对钛合金的室温和高温综合性能要求也不断提高。本文基于Ti-6Al-4V合金α相团簇式[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))和β相团簇式[Al-Ti_(14)](AlVTi),通过Zr和V/Mo/Nb分别替代(相团簇式壳层和连接原子Ti的合金化,设计了一系列12[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))+5[Al-Ti_(14)-xZrx](AlV_(1.2)Mo)(0.6)Nb_(0.2))合金,并研究了激光熔化沉积Ti-Al-V-Mo-Nb-Zr系合金的微观组织和力学性能随Zr元素含量的演化规律。结果表明,Ti-Al-V-Mo-Nb-x Zr合金的液-固两相区较小,有利于保证激光熔化沉积的工艺性。此外,随Zr含量的增加,Ti-Al-V-Mo-Nb-x Zr合金外延生长β柱状晶的长度和宽度显著降低,室温和高温强度显著提高。其中,12[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))+5[Al-Ti_(12)Zr_(2)](AlV_(1.2)Mo)(0.6)Nb_(0.2))合金的室温抗拉强度为1427 MPa,伸长率为3.2%;600℃高温抗拉强度为642 MPa,伸长率为40%。该合金可以作为激光熔化沉积用高温高强钛合金的候选材料。

基于Ti-6Al-4V合金团簇式设计合金的组织性能研究

基于Ti-6Al-4V合金的团簇式12[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))+5[Al-Ti_(14)](V_(2)Ti),通过替换β-[Al-Ti_(14)](V_(2)Ti)团簇式中连接原子的种类和比例,设计了Ti-6.07Al、Ti-6.06Al-1.97V、Ti-6.05Al-5.90V和Ti-7.16Al-1.99V 4种合金。结果表明,Ti-6.07Al、Ti-6.06Al-1.97V和Ti-7.16Al-1.99V合金为α单相组织,而Ti-6.05Al-5.90V合金为α+β两相组织。相比于Ti-6Al-4V合金,Ti-6.05Al-5.90V合金抗拉强度增加了165 MPa,达1053 MPa,延伸率仅降低了2%,为4.5%;Ti-7.16Al-1.99V合金抗拉强度降低了115 MPa,为773 MPa,延伸率提高了162%,达17%。因此,Ti-6.05Al-5.90V可作为高强钛合金候选材料,Ti-7.16Al-1.99V合金可作为高韧钛合金候选材料。

原子精确的金纳米团簇在催化中的配体效应

金纳米团簇具有确定的组成和结构,作为模型化合物有助于理解物质结构与性能之间的关系。量子尺寸效应使金纳米团簇具有一些特殊的物理化学性质,因此在催化、生物、传感、光电等方面具有广泛的应用价值。

基于团簇结构模型的镍基高温合金成分设计

应用"团簇加连接原子"结构模型对镍基高温合金成分进行了解析,指出了这些合金均源自基础团簇式[Cr-Ni12]Cr3,其中[Cr-Ni12]为在FCC结构中以Cr为心的立方八面体团簇,搭配以3个Cr作为连接原子。根据合金化组元与基体Ni的混合焓大小确定其在团簇式中的位置,最终形成多元合金化后的团簇式[(Al/Ti/Nb)-(Ni/Fe/Co)12](Cr/Al)3。采用铜模吸铸快冷技术制备10 mm的合金棒,并对其在1373 K保温2 h后空冷。结果表明团簇式中含有一个Al时会有细小的γ'相析出,含有两个Al时[Al-(Ni10Fe2)](Cr2Al)合金中γ'相球形析出,粒子尺寸为30～60 nm;硬度测试表明前者强化效果不明显,后者由于γ'粒子长大使得合金硬度提高。当Al/Ti/Nb等比例占据团簇心部时,[(Al1/3Ti1/3Nb1/3)-(Ni10Fe2)]Cr3合金的硬度最高,为2.86 GPa。

^(7)Li和^(7)Be原子核的四体微观团簇模型计算

深入了解^(7)Li和^(7)Be原子核的基态和激发态性质对解释Li,Be等元素在原初宇宙中的产生和相关反应具有重要意义。目前多数关于^(7)Li或^(7)Be的微观模型计算主要考虑其中的α+t或α+^(3)He两体团簇结构。本工作采用四体微观团簇模型开展了理论研究,结果表明,考虑三体和四体团簇结构能够有效优化计算所得的基态和激发态波函数,使能谱和核半径等物理量更加接近实验数据。

Au-Cu合金的团簇成分式

运用描述近程有序结构的"团簇加连接原子"方法,建立了Au-Cu合金的稳定局域结构模型,进而解析了具有特殊性能的成分点,其中包括ASTM手册中列出的3种钎料BAu-11(50Au-50Cu)、BAu-1(37.5Au-62.5Cu)和BAu-2(80Au-20Cu)。结果表明,特殊性能成分金铜合金,具有简单的满足团簇式的成分规律,反映着固溶体近程有序本质结构。