本文選題：金屬玻璃　切入點(diǎn)：高壓退火　出處：《中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：不同于晶體材料的周期性結(jié)構(gòu),玻璃態(tài)物質(zhì)中原子排列長程無序,利用傳統(tǒng)的固體物理理論和實(shí)驗(yàn)手段很難表征其結(jié)構(gòu)特征,理解玻璃態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)也是最迷人的問題之一。金屬玻璃是典型的簡單無序體系,為研究玻璃態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)提供了很好的模型體系。最近的研究結(jié)果表明金屬玻璃在結(jié)構(gòu)上存在著納米尺度的結(jié)構(gòu)不均勻性,由原子排列松散的“類液區(qū)”和原子排列緊密的彈性基體組成。但是金屬玻璃的無序結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,是否還有其他形式的非均勻性存在?本文針對(duì)這一問題展開系統(tǒng)研究。高壓處理和退火處理都可以顯著改變金屬玻璃的結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合這兩種處理手段,首先利用高壓退火的方法調(diào)控金屬玻璃的結(jié)構(gòu)。在高溫和高壓的耦合作用下,高壓退火后的金屬玻璃同時(shí)具有高能量狀態(tài)和高密度,但塑性下降,該現(xiàn)象無法用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非均勻性來理解。隨后的研究發(fā)現(xiàn),在高壓退火樣品中存在著反常結(jié)構(gòu)不均勻性:具有高原子堆積密度的區(qū)域散布在具有相對(duì)較低原子堆積密度的彈性基體中。利用反自由體積模型和激活能壘理論解釋了這種反常結(jié)構(gòu)非均勻性的形成原因和在外加溫度下的演化。高壓退火可以向金屬玻璃中有效引入反常結(jié)構(gòu)非均勻性,為研究其獨(dú)特結(jié)構(gòu)和對(duì)金屬玻璃性能影響提供了有效手段。本文進(jìn)一步研究了反常結(jié)構(gòu)非均勻性對(duì)金屬玻璃玻色峰這一玻璃態(tài)材料的本征性質(zhì)的影響。在更致密的玻璃體系中觀察到了玻色峰升高的現(xiàn)象,并且隨著致密化程度的增加玻色峰連續(xù)增強(qiáng)。我們利用分子動(dòng)力學(xué)模擬分析了玻色峰增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)起源,建立了玻色峰和結(jié)構(gòu)不均勻性之間的聯(lián)系,并揭示出玻色峰所反映的快原子振動(dòng)和慢弛豫過程密切相關(guān)。最后,本文研究了反常結(jié)構(gòu)不均勻性對(duì)金屬玻璃動(dòng)力學(xué)的影響。通過研究不同溫度退火樣品焓弛豫的演化和動(dòng)態(tài)力學(xué)分析不同頻率下β弛豫峰位置的變化,發(fā)現(xiàn)具有反常結(jié)構(gòu)不均勻性的金屬玻璃弛豫激活能顯著提高,并提出了“負(fù)流變單元”的概念以解釋其基本動(dòng)力學(xué)特征。總之,本文提出高壓退火這種可以向金屬玻璃中引入反常結(jié)構(gòu)非均勻性的方法,利用該方法對(duì)金屬玻璃進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)控,并表征了調(diào)控后的金屬玻璃的結(jié)構(gòu)特征,這對(duì)理解玻璃態(tài)材料的不均勻結(jié)構(gòu)具有重大意義。此外,本文研究了反常結(jié)構(gòu)不均勻性對(duì)金屬玻璃熱力學(xué)性質(zhì)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和玻色峰的影響,這對(duì)認(rèn)識(shí)金屬玻璃的弛豫機(jī)制及探索新的有特殊功能的金屬玻璃具有指導(dǎo)意義。
[Abstract]:Different from the periodic structure of crystal materials, the atoms in glass materials are disordered for a long time, so it is difficult to characterize their structural characteristics by using the traditional solid physics theory and experimental methods. Understanding the structure of glassy matter is one of the most challenging and fascinating problems in condensed matter physics. It provides a good model system for studying the structure of glass-state materials. Recent results show that there is structural heterogeneity in the structure of metallic glass at nanoscale. It is composed of "liquid like zone" with loose atomic arrangement and elastic matrix with compact atomic arrangement. However, the disordered structure of metallic glass is very complicated. Is there any other form of inhomogeneity? In this paper, the structure of metallic glass can be significantly changed by high pressure treatment and annealing treatment. Firstly, the structure of metallic glass is regulated by high pressure annealing. Under the coupling of high temperature and high pressure, the metal glass annealed at high pressure has both high energy state and high density, but the plasticity decreases. This phenomenon cannot be understood in terms of traditional structural heterogeneity. There is anomalous structural inhomogeneity in high pressure annealed samples: the region with high atomic packing density is scattered in elastic matrix with relatively low atomic packing density. The inverse free volume model and activation barrier theory are used. The formation of the anomalous structure inhomogeneity and the evolution at the applied temperature are explained. The anomalous structure inhomogeneity can be effectively introduced into metallic glass by high pressure annealing. It provides an effective means to study its unique structure and influence on the properties of metallic glass. The influence of anomalous structure inhomogeneity on the intrinsic properties of metallic glass Bose peak is further studied in this paper. The rise of the boson peak has been observed in glass system, With the increase of the densification degree, the Bose peak is continuously enhanced. The molecular dynamics simulation is used to analyze the structure origin of the Bose peak enhancement, and the relation between the Bose peak and the structure inhomogeneity is established. It is also revealed that the fast atomic vibration reflected by the boson peak is closely related to the slow relaxation process. In this paper, the effect of anomalous structure inhomogeneity on the kinetics of metallic glass is studied. The evolution of enthalpy relaxation of annealed samples at different temperatures and the change of the position of 尾 relaxation peak at different frequencies are studied. It is found that the relaxation activation energy of metallic glass with anomalous structure inhomogeneity is significantly increased, and the concept of "negative rheological unit" is proposed to explain its basic dynamic characteristics. In this paper, the method of high pressure annealing, which can introduce anomalous structure inhomogeneity into metallic glass, is proposed. The system is used to control the metallic glass, and the structural characteristics of the regulated metallic glass are characterized. In addition, the influence of anomalous structure on the thermodynamic properties, kinetic properties and boson peaks of metallic glass is studied. It is helpful to understand the relaxation mechanism of metallic glass and to explore new metallic glass with special function.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TG139.8

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本文編號(hào)：1556359