金属玻璃构型变化的研究

无序物质构型变化是基础科学研究的前沿。压力可以改变物质内部的原子和电子结构，并进而改变物质的电子状态和物理化学性能，同时也能帮助人们深入认识物质结构、性能及其变化规律。压力下无序物质构型变化的研究对新型防御武器材料国防技术发展具有重要意义。本项目执行时间为2014年1月至2017年12月，在项目执行四年内，课题组成员积极认真地采用先进实验技术（原位同步辐射X射线衍射、吸收谱)和先进理论计算与模拟方法（反蒙特卡罗、第一性原理和经典分子动力学），系统地研究无序合金体系原子电子结构随压力的变化规律, 从原子和电子分布的角度揭示了无序合金在压力下的晶化机理，发现了As2Se3无序物质出现非晶-晶体的可逆相变新现象，获得了无序合金材料在高压下大q范围的高质量衍射谱数据，揭示了无序合金材料原子结构，发现了无序物质中2D-3D非晶-非晶相变，从原子和电子结构两方面揭示无序合金中非晶态相变的机理。

无序物质构型变化是基础科学研究的前沿。压力可以改变物质内部的原子和电子结构，并进而改变物质的电子状态和物理化学性能，同时也能帮助人们深入认识物质结构、性能及其变化规律。压力下无序物质构型变化的研究对新型防御武器材料国防技术发展具有重要意义。近期高压诱导含f电子无序合金非晶多形态相变已被发现，4f电子在高压下的非局域化转变，导致了材料中键长和体积的塌缩而引发了新型无序合金非晶多形态相变。到目前为止，在不含f电子无序合金体系是否存在类似非晶多形态相变刚刚开始，其机理尚不清楚。本项目拟将采用先进实验技术（原位同步辐射X射线衍射、吸收谱)和先进理论计算与模拟方法（反蒙特卡罗、第一性原理和经典分子动力学），系统地研究无序合金体系(不含f电子)原子电子结构随压力的变化规律,从原子和电子结构两方面揭示不含f电子无序合金中非晶态相变的机理。

金属玻璃以其独特的原子结构 – 长程无序的类液体结构，以及独特的物理、机械性能，一直是科学研究的重点之一。从金属玻璃原子结构角度深入理解和解释金属玻璃的物理性能和力学性能，尤其是过冷液体转变和伴随的急剧的强度降低，相应的局域剪切带变形到均匀超塑性变形的现象，需要对金属玻璃的局域原子结构进行深入的研究。本项目利用中子衍射和高能同步辐射等先进技术对Zr基金属玻璃局域原子结构进行了原位升温的测试和深入的分析研究。局域原子结构分析数据表明自由体积在进入玻璃转变和过冷区间时增速显著加快。并发现金属玻璃从室温升温时，其产生的局域原子结构内的由原子对得到平均微观热膨胀系数远小于宏观热膨胀系数，当温度高于玻璃转变温度后，该微观热膨胀加倍增加的现象。进一步的分析表明，当金属玻璃进入过冷区时，超常短键连接团簇和自由体积同时相关增加。本研究进一步通过第一性原理分子动力学(AIMD)对局域原子结构进行了模拟计算。此研究有力地支持和进一步明确了作者提出的以过渡区为核心的含超常紧密键对团簇的非晶结构模型 - the tight-bond cluster model：团簇 过渡区 自由体积。团簇间的过渡连接区在玻璃转变时吸热发展成为自由体积，使得团簇被具有液体性质的自由体积包围，因此伴随相应的强度的急剧降低，及宏观塑性的质的增加。团簇，过渡区和自由体积的局域热膨胀的不同，导致局域微观热膨胀和宏观热膨胀的不同。在此基础上，本项目还系统研究了不同成分的金属玻璃从不同的熔融状态快速冷却后对其局域原子结构，非晶体的热力学性能和金属玻璃的玻璃形成能力的影响。除了成分的决定性影响外，结果分析表明，提高熔融急冷温度可提高玻璃形成能力。其原因是由于熔融温度对液体局域原子结构的影响。本项目的研究工作为金属玻璃材料的进一步开发和研究进一步提供了有益的理论基础。

Zr基大块金属玻璃因其具有高强度，耐磨损，高弹性和低弹性模量以及优异的耐腐蚀性能而在生物医学领域呈现广阔的应用前景。然而，当前对这类新型亚稳材料的生物相容性的研究仍相当欠缺。本项目提出通过合理的成分设计首先制备出具有较好室温塑性的无Ni型Zr基块体金属玻璃。然后，通过对此金属玻璃的微结构，热稳定性和室温力学性质的研究，评估其作为生物材料的力学相容性。在此基础上系统研究金属玻璃在模拟体液中的电化学行为和腐蚀磨损特征；研究金属玻璃对组织细胞（如纤维原细胞、成骨细胞等）生长和代谢的影响以及金属玻璃与血液各成分的生物反应和相互作用，评估该块体金属玻璃的生物相容性。为开发具有自主知识产权的新型高性能生物医用金属材料提供理论和实验依据。

本项目旨在模仿生物材料中的结构设计，用小尺寸块体金属玻璃样品搭建两种仿生细观构型，利用电镀的方法将金属沉积于金属玻璃的构架中。在不降低单个金属玻璃样品强度的前提下，突破样件的临界尺寸限制，同时利用仿生结构的能量耗散机制提高大尺寸金属玻璃样件的韧性。通过改变金属玻璃体系、样品尺寸、表面粗糙度，沉镀金属种类和体积百分比等，考察这些参数对样件力学性能的综合影响，与未进行任何处理的铸态块体金属玻璃的变形行为进行比较，弄清这种影响背后的物理机制。在此基础上，选择两种韧性相差较大的金属玻璃体系，采取完全相同的仿生细观结构和电镀沉积方案，在样件发生了不同塑性变形量时卸载，利用扫描电镜观察剪切带的萌生、发展和分布情况，对比研究本项目所采用的方法对不同体系金属玻璃增韧的机制和效果差别，并在理论上分析得出金属玻璃增韧的一般性指导原则。