【摘要】：理解凝聚態(tài)物質(zhì)中原子(或分子)的運動行為對于認識物質(zhì)的凝聚狀態(tài),進而改善材料性能至關(guān)重要。玻璃材料的結(jié)構(gòu)無序且不均勻,處于亞穩(wěn)非平衡態(tài)。所以其弛豫動力學對于理解過冷液體和玻璃轉(zhuǎn)變,以及玻璃材料的穩(wěn)定性和形變行為變得極為關(guān)鍵,一直是玻璃材料和物理領(lǐng)域的核心問題。但是玻璃態(tài)弛豫涉及很大的時間跨度,而且在不同的空間和時間尺度下不同動力學模式之間存在聯(lián)系,同時也具有獨特性,所以研究起來極為復雜和困難。本文基于研究組前期的工作,結(jié)合熱力學、動力學以及X射線光子關(guān)聯(lián)譜等手段,在盡量寬的時間和溫度窗口以及不同空間尺度下系統(tǒng)研究了金屬玻璃的弛豫動力學,發(fā)現(xiàn)了玻璃態(tài)新的弛豫模式分裂,建立了不同動力學模式以及宏觀和微觀弛豫的關(guān)聯(lián),揭示了原子尺度間歇性弛豫的起源。基于對金屬玻璃動力學的新認識,設(shè)想并成功實現(xiàn)在室溫冷襯底上制備超穩(wěn)定金屬玻璃。本文的主要工作概括如下:開發(fā)出目前為止具有最顯著β弛豫峰和更高特征溫度的YNiAl金屬玻璃體系,為β弛豫相關(guān)研究提供了新的模型體系。主要元素Y的含量和過渡金屬元素種類對β弛豫影響顯著,β弛豫的表現(xiàn)形式與體系化學親和能以及各組元間混合焓的起伏密切相關(guān)。發(fā)現(xiàn)涉及原子振動反常性的玻色峰與結(jié)構(gòu)弛豫一致表現(xiàn)出記憶效應。玻色峰強度隨著玻璃朝低能態(tài)弛豫而降低,而在玻璃表現(xiàn)出記憶效應朝高能態(tài)反向弛豫時玻色峰強度轉(zhuǎn)而變強,之后又隨著能態(tài)降低而降低,其演化與結(jié)構(gòu)弛豫過程完全一致,且玻色峰強度與玻璃能態(tài)呈線性依賴關(guān)系,從而揭示出這兩種動力學模式之間的潛在關(guān)聯(lián)。采用芯軸纏繞方法實現(xiàn)對金屬玻璃長時間尺度、極緩慢流動的實驗觀測,發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出兩步流動的跡象。隨后我們進一步開展應力弛豫實驗,明確了兩步弛豫過程的存在。高溫下應力隨時間單步衰減,而隨著溫度降低弛豫分為兩步,證明玻璃態(tài)存在新的弛豫模式分裂現(xiàn)象以及獨特的玻璃態(tài)動力學過程�？斐谠ズ吐谠ケ憩F(xiàn)出截然不同的動力學特征�？斐谠谠映叨葍�(nèi)應力主導的類彈道運動,慢弛豫則對應于涉及更大尺度且動力學不均勻的結(jié)構(gòu)重排。利用X射線光子關(guān)聯(lián)譜系統(tǒng)地研究了具有不同穩(wěn)定性和處于不同應力狀態(tài)的金屬玻璃原子尺度的弛豫行為。發(fā)現(xiàn)微觀和宏觀弛豫存在顯著差別,但也具有密不可分的聯(lián)系。微觀弛豫表現(xiàn)出間歇性,而且隨著玻璃的穩(wěn)定性提高、或者原位應力的存在受到顯著抑制。間歇性弛豫總是伴隨著關(guān)聯(lián)函數(shù)初始非各態(tài)歷經(jīng)平臺的下降,間歇性越大,下降越快。從而揭示出原子尺度復雜的間歇性弛豫的結(jié)構(gòu)和動力學起源,即非均勻結(jié)構(gòu)下顯著的次級弛豫過程的激發(fā)。通過調(diào)控物理氣相沉積的速率,在無需對襯底加熱的條件下,制備出相對于普通玻璃T_g提高約60 K而且具有更高的抗晶化穩(wěn)定性的超穩(wěn)定金屬玻璃,其結(jié)構(gòu)更加均勻,長程范圍更加無序,而且在晶化過程中也表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性和不同的相析出。該結(jié)果克服了以往超穩(wěn)定玻璃只能在高溫襯底上制備的限制,不僅在實際應用上具有重要意義,而且突出了表面動力學對于超穩(wěn)定玻璃形成的關(guān)鍵作用,同時說明其在低溫下遠比預期的要快。本文的研究結(jié)果深化了我們對玻璃中重要的動力學現(xiàn)象,比如玻色峰、β弛豫、結(jié)構(gòu)弛豫和記憶效應、以及表面動力學這樣一些關(guān)鍵問題的理解,也為甄別眾多的理論模型提供了重要依據(jù)。玻璃態(tài)存在遠比我們想象豐富的動力學行為,對其深入探索將為認識玻璃本質(zhì)、優(yōu)化材料制備和性能提供新的思路。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O469
【圖文】：

金屬玻璃態(tài)弛豫動力學研究體快速冷卻而凍結(jié)形成，所以其表面往往屬光澤，而且具有原子級光滑度。圖 1.1 是 合金鑄錠，我們在電弧爐中將其熔化，然后卻。由于表面冷卻最快，其形成玻璃態(tài)，看起樣，能夠很清晰地反射成像。如此光滑又耐大有用途。比如，在針頭或者手術(shù)刀刀口噴涂從而降低痛感[44,45]。由于沒有固定的周期結(jié)點，加之在使用過程中發(fā)生表面去合金化，屬玻璃在過冷液相區(qū)優(yōu)異的可加工性能，利于其催化性能的進一步提高[47]。

輻射發(fā)現(xiàn)金屬玻璃中存在 25%左右體積分數(shù)的滯彈性變形區(qū)[79]。2011 年，柳延輝博士和陳明偉教授[80]，以及 Samwer 教授研究組采用動態(tài)原子力探針[81]，直接證實了這樣一種黏彈性區(qū)的存在。2016 年，上海交通大學朱凡博士和陳明偉教授采用具有原子級分辨率的掃描透射電子顯微鏡直接觀察到金屬玻璃結(jié)構(gòu)的不均勻性[82,83]，而在退火過程中，其結(jié)構(gòu)趨向于均勻化轉(zhuǎn)變[82]。如圖 1.2，鑄態(tài)樣品的微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的不均勻性，隨著退火，其結(jié)構(gòu)變得越來越均勻。經(jīng)過這些努力和發(fā)現(xiàn)，金屬玻璃中“類液體區(qū)+彈性基底”這樣一幅微觀結(jié)構(gòu)圖像被廣泛接受。(a) (b)(c)(d) (e) (f)

第1 章 緒論璃形成體中的典型動力學現(xiàn)象體過冷和玻璃的形成是對于幾百萬年前的黑曜石還是只有幾十年歷史的金屬玻璃，徑都是高溫液體的快速冷卻。玻璃的形成與液體的過冷和動力模式耦合理論（Mode-CouplingTheory，MCT）很好地刻畫了的動力學行為[84,85]。當體系的溫度降低到 Tm以下時，任意單受到其周圍鄰居粒子的阻礙，其運動依賴于相鄰的粒子移動，又受其自身鄰居的影響，從而形成動力學上的關(guān)聯(lián)幾何阻錯，cageeffect）。這種效應導致體系的動力學變緩。MCT 預測過程分為兩步，并被實驗[86,87]和計算機模擬[88]證實。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 魯振;汪衛(wèi)華;白海洋;;通過應力弛豫方法基于結(jié)構(gòu)和動力學非均勻性對金屬玻璃進行分類（英文）[J];Science China Materials;2015年02期

2 X.Q.Gao;W.H.Wang;H.Y.Bai;;A Diagram for Glass Transition and Plastic Deformation in Model Metallic Glasses[J];Journal of Materials Science & Technology;2014年06期

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本文編號：2780145