材料的熱膨脹性對材料的使用環(huán)境、多元匹配和服役壽命具有決定性作用。而納米尺寸效應能夠在不改變化學組分的情況下實現(xiàn)熱膨脹性能的有效調控,因此逐漸受到人們的重視。在納米化的金屬材料中,長程平均單胞結構已經(jīng)不足以描述其特殊的結構特點以及空間分布特征。局域結構和分布狀態(tài)的精確解析將為納米材料熱應力優(yōu)化、功能器件的人工設計以及性能調控中的物理機制探索提供理論支撐。本論文以幾種典型的金屬/合金納米材料為研究對象,從研究平均單胞的本征熱膨脹行為出發(fā),綜合利用X射線吸收譜（XAFS）、原子對分布函數(shù)（PDF）以及反向蒙特卡洛（RMC）等手段逐步深入對金屬/合金納米材料中局域結構及其空間分布規(guī)律進行剖析。根據(jù)金屬納米材料中化學成鍵與局域結構信息的關聯(lián)、局域化學分布狀態(tài)在納米顆粒中的存在形式對熱膨脹調控過程中局域結構的作用進行研究。首先,在半金屬Bi納米顆粒體系中,結合擴展的X射線吸收精細結構（EXAFS）和PDF對13nm時c軸出現(xiàn)的異常負熱膨脹行為進行研究。從局域結構畸變的角度來看,尺寸減小到13nm,最近鄰鍵角出現(xiàn)了顯著的減小,進而造成褶皺型層狀結構中c軸存在較大的尺寸誘導畸變。升溫過程中,熱振動對... 

【文章來源】：北京科技大學北京市211工程院校教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：185 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖２－１雙原子模型勢能變化曲線，插圖為力指數(shù)發(fā)生變化后勢能曲線的變化??

接成鍵原子間鍵長的正膨脹行為，而晶體單胞最終表現(xiàn)出負膨脹特性則與晶??格的總體效應相關。具體來說，以橋連原子的聲子振動模型為例，在二配位??的橋原子Ａ為主的熱振動中（圖２－２），沿成鍵方向縱向的熱振動使??間距增大。而當Ｍ－Ａ之間形成較強的化學鍵時，熱振動對Ｍ－Ａ之間鍵長的??熱膨脹貢獻較小，Ｍ－Ａ的成鍵近似剛性。此時如果橋連原子Ａ存在著強烈的??橫向熱振動，比如在垂直于成鍵方向上的往復運動和橋連原子繞Ｍｉ－Ｍ２軸的??旋轉運動等，都將導致Ｍ�。停查g距隨著熱振動的加劇而出現(xiàn)收縮。此外，如??果的成鍵鍵角具有較高的剛性，則整個成鍵單元將繞橋連原子呈現(xiàn)??出明顯的旋轉振動，當考慮Ｍｉ－Ｎｆｃ為表征標志的單胞參數(shù)時也會存在較大的??負熱膨脹貢獻。如果將簡單的二配位橋連原子擴展成為二維的狀態(tài)（圖２－２ｂ），??由于空間維度的擴展

斥力將被迫選擇離心方向的橫向振動模式，從而實現(xiàn)在保證配位成鍵鍵長的??剛性基礎上以橋連多面體的反方向扭轉產(chǎn)生非橋連原子的熱收縮。更進一步??將情況擴展到三維空間可以看到（圖２－２ｃ），在共頂角的多面體連接而成的骨??架結構中，橋連原子占據(jù)多面體的頂角，而多面體中心大多為金屬高配位的??金屬陽離子（Ｍ），此時強化學鍵連接而成的多面體表現(xiàn)出剛性特征，隨溫度??變化不易變形。而多面體之間相比之下要更加柔軟，溫度升高時，Ｍ－０－Ｍ中??橋連原子的橫向振動使得剛性多面體發(fā)生旋轉耦合從而造成金屬陽離子之間??距離的減小，引起總體積的收縮。為了避免所有橫向振動原子之間排斥力的??劇烈上升，晶體三個維度上的多面體將采用交替扭轉的形式，當這樣的橫向??振動引發(fā)的三維結構畸變達到穩(wěn)定的狀態(tài)，此時立方相的多面體對稱性將會??變成三方相。由于這一類負熱膨脹材料的物理機制都需要以近鄰配位原子的??剛性成鍵和橋連原子或原子團的橫向振動為出發(fā)點，因此也被歸納為剛性多??面體模型（Ｒｉｇｉｄ?Ｕｎｉｔ?Ｍｏｄｅｓ

【參考文獻】：
期刊論文
[1]A brief review on μSR studies of unconventional Fe-and Cr-based superconductors[J]. A.Bhattacharyya,D.T.Adroja,M.Smidman,V.K.Anand.  Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(12)
[2]納米材料結構特征[J]. 王大志.  功能材料. 1993(04)



本文編號：3623114