Fe基金屬玻璃具有長程無序結(jié)構(gòu)且內(nèi)含大量的自由體積,相較于傳統(tǒng)耐輻照晶體金屬具有不同尋常的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,且由于其具有較低的加工成本、超高的強度、較好的軟磁性能與較寬的過冷液相區(qū)等優(yōu)良的理化性質(zhì),而得到研究人員的密切關(guān)注,被認為或可以作為面向等離子體候選材料應(yīng)用于聚變裝置中,因而關(guān)于其耐輻照性能的研究得到了廣泛開展。團簇加連接原子模型可以指導(dǎo)金屬玻璃組分的設(shè)計,獲得具有更高玻璃形成能力的Fe基金屬玻璃,且具有更大負混合焓的組分原子可以提升金屬玻璃的晶化開始溫度,為突破尺寸限制以及提高Fe基金屬玻璃的穩(wěn)定性提供了一條嶄新的思路。從團簇加連接原子模型設(shè)計金屬玻璃的角度簡述了本課題組研究的兩種成分的Fe基金屬玻璃Fe₈₀B₁₃Si₇及Fe₆₈B₂₅Zr₇的選擇依據(jù),同時根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,總結(jié)了在離子束輻照下,Fe基金屬玻璃的結(jié)構(gòu)、表面形貌、磁性能以及光學(xué)性能的變化,探究了其輻照損傷的形成機制,并淺析了Fe基金屬玻璃具有較好的耐輻照性能的原因,為其應(yīng)用于聚變堆環(huán)境作為... 

【文章來源】：表面技術(shù). 2020,49(05)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：13 頁

【部分圖文】：

金屬玻璃的原子結(jié)構(gòu)模型[42]

近年來，在高GFA技術(shù)要求的驅(qū)動下，合成了多種Fe基大塊玻璃態(tài)合金。Fe基金屬玻璃形成的臨界尺寸可以達到厘米量級，如圖2a所示。通常情況下，較高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg、晶化開始溫度Tx和較寬過冷液體相區(qū)ΔTx的金屬玻璃有較大的臨界尺寸和較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。與其他Fe基大塊玻璃態(tài)合金相比，F(xiàn)eB基金屬玻璃的Tx和Tg最高，ΔTx最寬（如圖2b），被認為具有最好的熱穩(wěn)定性[43]，作為耐輻照環(huán)境中的備選材料有較好的應(yīng)用前景。耿遙祥等人[44]依據(jù)最大體原子密度和孤立度原則，從Fe-B二元平衡相圖出發(fā)[31]，確定出Fe-B二元理想非晶合金的主團簇為[B-B2Fe8]Fe，并以此為基礎(chǔ)，成功設(shè)計出具有較強GFA的Fe-B二元合金成分為Fe75B25；選擇與Fe有較大負混合焓的Si替代團簇中心B原子，進一步考慮元素間混合焓和電子濃度的影響，確定出具有最強GFA和最高熱穩(wěn)定性的Fe-B-Si三元理想非晶合金的主團簇式為[Si-B2Fe8]Fe[31]，進而得到具有最佳GFA和最高熱穩(wěn)定性的三元合金的成分為Fe75B16Si9[31]。以理想團簇[Si-B2Fe8]Fe為基礎(chǔ)，提高Fe原子含量時，多余的Fe原子很難進入團簇[Si-B2Fe8]Fe中，該研究引入的“雙團簇”局域結(jié)構(gòu)模型[Si-B2Fe8]Fe和[Fe-Fe14]x/15Fe(x=1～3）很好地解釋了非晶合金局域結(jié)構(gòu)的不均勻性[31]。此外，選擇與B有較大混合焓的Zr部分替代團簇殼層位置的Fe，同樣設(shè)計出FeBZr三元非晶合金的理想團簇為[B-B2Fe8-xZrx]Fe(x=0～0.6），隨著Zr含量的增加，F(xiàn)eBZr的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度增大，玻璃態(tài)合金的最大尺寸出現(xiàn)在x=0.4時，最高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg和晶化開始溫度Tx出現(xiàn)在x=0.6時[34]。

離子轟擊伴隨著的大量能量沉積能夠增強Fe基金屬玻璃中的原子擴散，形成大量的原子離位或遷移，驅(qū)使其向著更加穩(wěn)定的狀態(tài)重新排列，長程無序發(fā)生變化，形成納米晶，且納米晶的種類受金屬玻璃結(jié)構(gòu)與入射離子種類、能量等輻照參數(shù)的影響。Nagase等人[45]在電子輻照下，觀察到三元非晶合金FeBZr中形成了bcc結(jié)構(gòu)的α-Fe相、金屬間化合物，與非晶基體共同組成了納米復(fù)合結(jié)構(gòu)（如圖3a所示）。Luo等人[17]發(fā)現(xiàn)在Ar離子輻照劑量達到3×1015 ions/cm2時，F(xiàn)e基金屬玻璃中會形成fcc相的納米晶。Li等人[24]用Xe離子束輻照Fe-Ti-Nb多層膜，在不同的輻照劑量下觀察到輻照誘導(dǎo)相分離的bcc結(jié)構(gòu)的α-Fe相。針對非晶中輻照誘導(dǎo)的納米晶的形成，研究人員對離子輻照獨特的能量加載過程中Fe基金屬玻璃的結(jié)晶動力學(xué)也進行了深入的研究，目前有三種機制（如圖3b所示）可以解釋輻照所引起的結(jié)晶。第一種機制是通過引入自由體積和反自由體積的類缺陷來增加非晶相的自由能；第二種機制是由過量體積的損失導(dǎo)致局部應(yīng)變的減少，在上述類缺陷點附近偶然形成納米尺度晶體區(qū)域；最后一種機制與輻照損傷引起的原子擴散增加有關(guān)[46]。Tang等人[18]研究了Ar離子輻照時Fe基金屬玻璃結(jié)晶動力學(xué)隨輻照劑量的演化，發(fā)現(xiàn)離子轟擊引起的原子擴散會誘發(fā)結(jié)構(gòu)弛豫，且其擴散距離隨轟擊時間的延長而增加，帶來初次晶化；輻照會降低初次晶化過程的表觀活化能（如圖3c所示），但對二次晶化過程的活化能沒有明顯影響，這歸因于晶化過程中，F(xiàn)e(Si）相通過原子遷移從非晶中析出，導(dǎo)致的原子重排能夠獲得由Fe(Si）納米微晶和參與非晶相組成的相似微觀結(jié)構(gòu)，從而成功消除離子轟擊對微觀結(jié)構(gòu)的影響；Fe基金屬玻璃析出α-Fe(Si）晶化相的過程中，晶化機理以一維/二維生長為主導(dǎo)，成核率下降后轉(zhuǎn)為由三維生長主導(dǎo)。離子輻照誘發(fā)了Fe基金屬玻璃結(jié)構(gòu)發(fā)生演化，同時由級聯(lián)碰撞帶來的大量原子移位會在金屬玻璃中形成類缺陷。Xu等人[47]研究了Fe79B16Si5金屬玻璃在離子束輻照下缺陷的形成，觀察到低能He離子輻照時，金屬玻璃FeBSi中沒有形成類空位型缺陷以及可觀察的He泡，而經(jīng)過中等能量的He離子輻照后，F(xiàn)e基金屬玻璃中出現(xiàn)了空位型缺陷，且能夠觀察到He泡（如圖4a），說明He泡的形成與金屬玻璃中空位型缺陷的形成和遷移有關(guān)。另外，這一團隊還觀察了He和D離子輻照下FeBSi金屬玻璃中的原子吸附，得到He原子的吸附能力強于D原子，D離子預(yù)輻照不會對He原子的吸附產(chǎn)生影響，而He離子預(yù)輻照能夠增強D原子的吸附[48]。

【參考文獻】：
期刊論文
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[4]無序材料中的待解之謎——金屬玻璃研究進展[J]. 李彥灼,汪衛(wèi)華.  自然雜志. 2013(03)
[5]聚變堆第一鏡材料塊體金屬玻璃表面特性[J]. 文靜,董闖,公發(fā)全,牟宗信,羅靈杰,趙亞軍,羌建兵,王英敏.  強激光與粒子束. 2011(12)
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博士論文
[1]Fe-B-Si系非晶/納米晶合金的成分設(shè)計及性能研究[D]. 耿遙祥.大連理工大學(xué) 2015



本文編號：3110690