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。

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。

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.

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。

低弹bcc结构Ti-Mo-Nb-Zr固溶体合金的“团簇+连接原子”模型及其成分设计

利用"团簇+连接原子"结构模型研究了典型低弹bccβ-Ti固溶体合金的成分特征.对现有低弹β-Ti固溶体合金的成分分析表明它们均满足团簇式[CN14团簇](连接原子)_x.根据该式,设计了Ti-Mo-Nb-Zr系列合金[MoTi_(14)]Ti(质量分数表达时为Ti-11.8Mo),[MoTi_(14)]Nb(Ti-11.2Mo-10.8Nb),[MoTi_(14)]Nb_2(Ti-10.1Mo-19.5Nb)和[Mo(Ti_(13)Zr)]Nb_2(Ti-9.2Zr-9.6Mo-18.7Nb),并采用Cu模吸铸快冷技术制备直径为3和6 mm的合金棒.结果表明,吸铸制备的合金均为bcc结构;当连接原子由Ti变成更低弹的Nb时,合金弹性模量降低;低弹Zr替代Ti进一步降低了合金的弹性模量,[Mo(Ti_(13)Zr)]Nb_2合金的弹性模量E=72 GPa.铸态样品经过固溶和水淬处理后弹性模量降低.

体心立方固溶体合金中的“团簇＋连接原子”结构模型

为体现固溶体合金中的溶质原子产生的化学短程序,文章提出了配位数为14的团簇在体心立方(bcc)点阵中的堆垛模式,并建立了基于bcc结构的"团簇+连接原子"结构模型,用团簇成分式[团簇](连接原子)x表述.此模型中,与基体组元具有相对大的负混合焓的溶质原子占据团簇心部,其他原子作为连接或者替代团簇壳层基体原子.1:1结构模型[团簇](连接原子)1由于最大程度地保证了团簇与连接原子的近邻,构成了连接原子最有效的合金化方式.在两个实用bcc固溶体合金体系中,1:1模型指导设计了低V含量的储氢合金[Ti7Cr8]V1和低弹性模量高强度的[Mo(Ti,Zr)14]Nb1合金.

基于团簇+连接原子模型的Fe-B-Si-Ta块体非晶合金的成分设计

依据团簇＋连接原子模型设计具有高玻璃形成能力的Fe-B-Si—Ta软磁块体非晶合金，以共晶点Fe83B17对应的共晶相Fe2B为基础．根据最大径向原子数密度和孤立度原则，得到以B为心的[B-B2Fe8】主团簇，结合理想非晶合金团簇式的电子浓度判据，构建出Fe-B二元非晶合金的理想团簇式[B—B2Fe8]Fe．为提升Fe—B二元合金的非晶形成能力，选择与Fe具有较大负混合焓的Si替代[B—B2Fe8]团簇的中心原子B，得到Fe-B-Si三元非晶合金的理想团簇式[Si—B2Fes]Fe．由于Ta与B和Si间具有较大的负混合焓，进一步以Ta替代[Si—B2Fe8]Fe团簇式中壳层位置的Fe原子，设计出[Si—B2Fe8-xTax]Fe四元非晶系列成分．结果表明，[Si-B2Fe8-xTax]Fe在x=0．4～0．7成分处均可形成直径为1．0min的非晶合金棒．其中，[Si—B2Fe7.4Ta0.6]Fe合金的非晶形成能力最佳，其非晶样品的约化玻璃转变温度磊为0．584，玻璃转变温度正为856K，过冷液相区宽度△Tx达33K．[Si-B2Fe8-xTax]Fe（x=0．4～0．7）块体非晶合金的Vickers硬度Hv随Ta的添加从1117HV（F0．4）上升到1154HV（x=0．7）．[Si—B2Fe7.6Ta0.4]Fe非晶合金具有良好的室温软磁性能，其饱和磁化强度Bs为1．37T,矫顽Hc垃为3．0A／m．

原子连接性指数与对镧系元素理化性质的预测

以原子为研究对象的原子连接性指数（ｍ Ａｔ） 被定义为：ｍ Ａｔ ＝ Σ（ Ｅｉ × Ｅｊ × Ｅｋ ×…） － ０ ．５ ， Ｅ 为价电子的能级值。其中：０ Ａｔ＝ Σ（ Ｅｉ） － ０ ．５ ， １ Ａｔ＝ Σ（ Ｅｉ × Ｅｊ） － ０ ．５ 。０ Ａｔ、１ Ａｔ 对所有的原子具有优异的选择性，达到唯一性表征，并与镧系元素的１２ 种理化性质（ Ｐ） 显示高度相关性。用最小二乘法建立的１２ 个 Ｐ 与１ Ａｔ 的线性回归方程均在α＝ ０ ．０１ 显著水平下通过 Ｆ 检验。本方法计算简单，物理意义明确，预测结果令人满意。

基于“团簇加连接原子”模型设计的Ni_(3)Al基金属间化合物的显微组织和力学性能

Ni_(3)Al金属间化合物的室温脆性问题极大地限制了其应用。通过“团簇加连接原子”模型对Ni_(3)Al金属间化合物进行成分和结构解析及成分设计,通过Co、Fe部分取代团簇壳层上的Ni,Ti部分取代连接原子Al,设计出六种合金。并对其显微组织及力学性能进行了表征。结果表明:六种合金的显微组织均由NiAl相(γ′相)、NiAl相(BCC)和少量共晶析出的第三相所构成,且通过TEM分析证实了基体为Ni_(3)Al相。相比于Ni_(3)Al金属间化合物,合金的室温强度、硬度和塑性均有大幅度的提升。分析其原因是由于基体为Ni_(3)Al相,保持了合金基体的强度和硬度,当Ni_(3)Al基体中析出少量的BCC相时,进一步提高合金的强度和硬度,而当BCC含量过高时,合金的强度和硬度降低,塑性升高。

原子序数连接性指数与烯烃热力学性质的定量关系研究

参照系统命名法建立碳原子的编号原则,给烯烃中的碳原子编号,并在此基础上建立原子序数连接性指数mχ,其中,0χ,1χ,2χ,N与烯烃热力学性质(标准生成焓,标准熵,标准生成自由能)有良好的相关性,复相关系数分别为0 9988,0 9995,0 9940.该研究为预测烯烃的热力学性质提供了有效而简便的方法.

由螺旋原子连接的系列立体交叉型分子的光谱与二阶非线性光学性质

用AM1和ZINDO系列方法研究了以螺原子连接的立体交叉型分子的几何构型 ,研究了各分子的稳定构型并以稳定构型为基础 ,计算了这些分子的电子光谱 ,二阶非线性光学系数 βμ,β0 ,考察了取代基变化对 βμ 的影响 .计算结果表明所设计分子兼具较大的二阶非线性光学系数和较高的透过率 ,有希望成为一类新型的二阶非线性光学材料 .

原子连接性指数与对碱金属离子晶体晶格能的预测

基于原子的最低空原子轨道能量和主量子数 ,原子的未成对价电子数 ,建立了碱金属离子晶体的原子连接性指数 ( 0 H、1H ) .它与 5 7种碱金属离子晶体晶格能U (KJ/mol)的线性方程为 :U =5 89.1 36 5 0 H -834 .4 86 9r=0 .994 5U =2 94 .4 874 1H + 2 0 4 .5 1 6 3r =0 .9984结果表明 ,0 H和1H具有良好的结构选择性和性质相关性 .本文预测了 5 7种碱金属离子晶体的晶格能 。

高熵陶瓷材料研究进展及挑战

高熵作为全新的材料体系,得益于巨大的组分空间、独特的微观结构以及较大的构型熵所赋予其独特且可调的优异性能,已成为材料领域的研究热点。高熵陶瓷的研究目前还处于探索阶段,尤其在精准的成分设计理论、高纯高产率粉体制备、新型烧结工艺等方面,亟待深入研究。因此,本文针对高熵陶瓷的五大高熵效应、新的设计理论、粉体制备方法、新型烧结工艺以及综合性能与实际应用进行了梳理归纳,并通过团簇加连接原子模型(CPGA)对高熵陶瓷(HEC)成分设计进行解析,深入挖掘了HEC的组元和微结构以及性能之间的关系。未来HEC的重点发展方向仍然为基础理论设计,尤其是针对非氧化物HEC成分结构。同时,在样品制备上要在学科交叉领域寻找突破,如采用人工智能机器学习与3D打印进行制备。最后,要寻找结构、热障耐腐涂层、机械、工程光学和磁性等方面实际应用并对探究工况环境下的强化、失效机制深入探究分析。

TiZrHfNiNb高熵形状记忆合金成分设计及组织性能研究

为解决传统Ti_(35.5)Hf_(15)Ni_(49.5)高温形状记忆合金脆性大的问题,基于“团簇+连接原子”模型,设计了3种TiZrHfNiNb高熵形状记忆合金的化学成分,对其相组成、显微组织、相变温度和力学性能进行了分析,并与Ti_(35.5)Hf_(15)Ni_(49.5)合金进行了对比。结果表明:3种合金的室温物相均为B19'马氏体和少量残余的B2奥氏体与β-Nb析出相,显微组织均为等轴晶组织,并存在沿晶界弥散析出的β-Nb相,其中,Ti_(25)Hf_(15.625)Zr_(6.25)Nb_(3.125)Ni_(50)合金具有最细小的晶粒尺寸;3种合金马氏体相变起初温度分别为409、396、286℃,均显著高于Ti_(35.5)Hf_(15)Ni_(49.5)合金(196℃);3种合金的抗拉强度分别为722、585、919 MPa,伸长率分别为0.94%、0.71%、2.22%,均高于Ti_(35.5)Hf_(15)Ni_(49.5)合金(152 MPa,0.34%),具有较好的力学性能。

用分子连接性指数法表征渣油

通过对多种渣油及其SCFE窄馏分平均分子的分子连接性指数与物理化学特性关系的研究发现 ,分子连接性指数可以较好地表征同一种渣油的SCFE窄馏分的物理化学特性 ,但对不同种渣油的SCFE窄馏分差异巨大 .加入H/C比对其进行修正 ,得到修正后的分子连接性指数KM 可以很好地预测不同渣油各种物理化学特性 ,实现分子连接性指数法渣油特征化 ,这也为分子连接性指数法在煤。