利用胶体系统研究玻璃态

玻璃态是一种无序结构的固体,组成单元可以是原子、分子、高分子、胶体粒子等等。尽管玻璃态材料在生活中很常见,有广泛的工业应用,但相关理论,尤其是液体到玻璃态转变的理论是物理学中争议最多的领域之一。溶液中的胶体粒子可以形成晶体、液体、玻璃等各种态。在光学显微镜下可以直接看到三维内部单个微米胶体粒子,通过图像处理还可以得到粒子的布朗运动轨迹,从而得到玻璃化转变过程中的微观动力学信息,这是原子分子玻璃系统中难以测量的。文章介绍了胶体作为模型系统对玻璃态的研究,主要包括传统的过冷液体到玻璃态的转变,另外还涉及气相、凝胶、多晶等其他无序或半无序态与玻璃态之间的过渡或转变。     

玻璃形成体系中的β弛豫

一定压强下对液体进行冷却,若避免晶化,则冷却中液体不可避免地转变为典型非晶态固体——玻璃.这种现象称为玻璃转变,是一种普遍存在的自然现象,涉及多体相互关联体系中众多基础理论问题.近几十年以来,玻璃转变问题的探索过程中,弛豫存在的普适性、其机理/物理图像及其对液体和玻璃性能认知的影响等一直是争论的热点.在梳理β弛豫研究进展的同时,本文尝试对未来β弛豫研究方向进行展望.     

钽过冷液体等温晶化的原子层面机制

采用分子动力学模拟研究了钽(Ta)过冷液体的等温晶化过程,并用双体分布函数g(r)和最大标准团簇等方法表征和分析了体系的微结构演化特性.结果表明, Ta过冷液体的晶化过程敏感地依赖于过冷度,临界晶核形成孕育时间随过冷度的增加而减小. 1800 K≤T≤1850 K, Ta过冷液体的晶化遵循Ostwald的分步规则:过冷液体中首先形成大量由Z12和Z14团簇铰链的中程序(即Z-MRO);随后Z-MRO长大并有序化为A15晶体相;最后体心立方(BCC)晶核在A15相内部快速长大成BCC晶体.而在1900 K≤T≤1950 K,过冷液体直接向A15相转变. A15相由最大尺寸的Z-MRO不断兼并周围小尺寸的Z-MRO并有序化形成.     

封面说明

将金属像塑料一样在开水中自由的变形，这是长期以来材料研究人员的梦想．最近中国科学院物理研究所的张博、赵德乾、潘明祥、汪卫华等人成功地开发出了一种新的大块金属玻璃，它具有接近室温的玻璃化转变温度，在开水中表现出超塑性，可轻松地实现弯曲、拉伸、压缩和复写等变形，因此被命名为金属塑料．该金属塑料由我国含量丰富的稀土铈和普通的铝和铜合金组成，具有潜在的应用价值，也为人们认识和研究过冷液体及玻璃的物理本质特供了新的材料。     

不透明玻璃显现出的曙光--块体金属玻璃的发现与应用

在足够高的冷却速度下,如同其他大多数物质一样,金属合金熔体在冷却到室温的过程中能够经过玻璃化转变过程变成非晶态固体--金属玻璃.金属玻璃因其具有许多优异和独特的物理、化学和力学性能而一直受到很大的关注.在过去,由于玻璃形成能力的限制,金属合金只能制成厚度为数十微米的薄带状金属玻璃,因而其应用范围受到极大的限制.通过对金属合金的组成、熔体的过冷与稳定性及玻璃形成能力的关系研究,人们用常规的方法在较低的冷却速度下就能在许多金属合金体系中形成三维尺度都达毫米至数厘米的块体金属玻璃,这为金属玻璃获得广泛的应用奠定了基础.     

不透明玻璃显现出的曙光——块体金属玻璃的发现与应用

在足够高的冷却速度下，如同其他大多数物质一样，金属合金溶体在冷冷却到室温的过程中能够经过玻璃化转变过程变成非晶态固体——金属玻璃。金属玻璃因其具有许多优异和独特的物理、化学和力学性能而一直受到很大的关注。在过去，由于玻璃形成能力的限制，金属合金只能制成厚度为数十数米的薄带状金属玻璃，因而其应用范围受到极大的限制。通过对金属合金的组成、溶体的过冷与稳定性及玻璃形成能力的关系研究，人们用常规的方法在较低的冷却速度下就能在许多金属合金体系中形成三给尺度都达毫米至数厘米的块体金属玻璃，这为金属玻璃获得广泛的应用奠定了基础。     

接近玻璃转变

玻璃是黏性极大而且不能流动的液体．一个法国研究小组现在给出了一种确定玻璃态起始的测量方法．一些间接的证据指出，在降温过程中越来越多的液体部分一起运动时，液体开始进入玻璃态，这是因为黏性增加，越来越多的部分需要同时运动液体才能流动．Ludovie Berthier和其同事用过冷的甘油以及悬浮在液体中的小硬球来模拟并直接试验，计算出一起运动区域的大小，他们表示，这些区域的大小存液体向玻璃态的转变中逐渐增加．     

大块金属玻璃Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5的流变行为研究

采用静态拉伸方法在连续升温条件下动态地测量了大块金属玻璃Zr41 Ti14Cu12.5Ni10Be225(Vitl)的黏度随温度的变化关系.在应变速率与温度的关系曲线中,观测到了与玻璃转变和晶化过程相联系的多个应变速率峰.在玻璃转变温度Tg以上,大块金属玻璃Zr41Ti14Cu125Ni10Be225的过冷液体呈现Newton流体特征,其黏度与温度的关系符合Vogel-Fulcher-Tammann(VFT)关系式,拟合得到脆度D*=36,VFT温度T0=319K,脆度参数m=30,这说明Zr41 Ti14Cu12.5Ni10Be225的过冷液体是一种类似于硅酸盐类的"强"液体.在玻璃转变温度Tg以下,粘度与温度的关系偏离VFT关系,从结构弛豫的观点出发,借助金属玻璃的自由体积模型对其进行了分析和讨论.     

圆柱形红外硫系玻璃淬冷降温模型与实验分析

出炉温度和冷却速率是大尺寸硫系玻璃制备过程中的关键参数. 在热传导方程理论基础上,运用最小二乘拟合的方法建立计算圆柱形硫系玻璃冷却过程温度分布的理论模型. 利用该模型对硫系玻璃的出炉温度、出炉后温度分布以及冷却速率进行了仿真分析,并将仿真分析结果与实验数据进行了比较. 研究表明:出炉后玻璃棒的温度处于非稳态非均匀分布,其表面降温最快,且速率随时间呈现指数型下降;玻璃棒温度从中心到边缘近似呈抛物线型分布;当以高于析晶温度50-100 ℃,表面热交换系数180 W ·m^-2 K 关键词： 红外硫系玻璃 淬冷降温模型 析晶     

冷却速率对Lennard-Jones体系凝固过程中结构与动力学性质的影响

用分子动力学模拟方法研究了五种不同冷却速率对Lennard-Jones体系凝固过程中结构与动力学性质的影响。采用两种不同的方法来确定玻璃转变温度Tg,并且对结晶温度Tc、径向分布函数g(r)、均方位移函数MSD与扩散系数D、平均配位数进行比较分析。结果表明：冷却速率影响Lennard-Jones体系凝固过程中的结构。当使用足够高的冷却速率冷却时,体系发生玻璃化转变,而且冷却速率越快,玻璃转变温度越高;当冷却速率较小时,体系形成晶体,而且冷却速率越慢,结晶温度越高,结晶程度也越高。同时发现,冷却速率对扩散系数和平均配位数也有很大影响,二者在体系发生玻璃转变时都有一个缓变的过程,表明了过冷液相区的存在。     

冷却速率对Lennard-Jones体系凝固过程中结构与动力学性质的影响

用分子动力学模拟方法研究了五种不同冷却速率对Lennard-Jones体系凝固过程中结构与动力学性质的影响.采用两种不同的方法来确定玻璃转变温度Tg,并且对结晶温度Tc、径向分布函数g(r)、均方位移函数MSD与扩散系数D、平均配位数进行比较分析.结果表明:冷却速率影响Lennard-Jones体系凝固过程中的结构.当使用足够高的冷却速率冷却时,体系发生玻璃化转变,而且冷却速率越快,玻璃转变温度越高;当冷却速率较小时,体系形成晶体,而且冷却速率越慢,结晶温度越高,结晶程度也越高.同时发现,冷却速率对扩散系数和平均配位数也有很大影响,二者在体系发生玻璃转变时都有一个缓变的过程,表明了过冷液相区的存在.     

非晶合金及合金液体的局域五次对称性

简要回顾了从20世纪30年代至今,有关非晶合金及合金液体的局域结构五次对称性的实验、理论和模拟研究.在简单液体的早期研究中,人们已经意识到五次对称性在简单液体的无序结构、过冷和晶化等起着重要作用,二十面体短程序作为五次对称性的典型代表受到了广泛关注.自从Frank提出简单液体中二十面体短程序的结构单元,大量的理论和实验研究已经明确在简单液体、合金液体和金属玻璃中存在局域五次对称性,并且建立了局域五次对称性与合金液体复杂动力学行为、玻璃转变、液体-液体相变以及非晶合金的形变等统一的定量描述和物理图像,表明了局域五次对称性作为结构参量的简单、普遍和有效性.     

冷速压力对玻璃化温度和径向分布函数的作用

采用分子动力学的模拟方法计算了水在依次降温,中间充分弛豫的降温过程以及同时对直接降温到某个温度,未足够弛豫的过程的径向分布函数(radial distribution function,RDF)曲线。在依次冷却方式下,选取了5种压力以研究压力对玻璃化温度和径向分布函数的影响;在每个温度段选取了5种冷速以研究依次冷却方式下不同温度段的冷速对径向分布函数的影响。同时对两种降温方式的结果进行了比较。结果表明:降温均匀,静止的水体系玻璃化温度可以大大提高,同时冷速对其玻璃化温度影响不大;压力对玻璃化温度影响不大;证实影响玻璃化温度的主要因素是传热;不同冷速对体系的RDF有影响,但缩小温差并采取中间温度充分驰豫的方式可减小这种差异。     

金属玻璃液体中的强脆转变现象

强脆转变是玻璃形成液体在从低温到高温升温过程中由强性液体转变为脆性液体的现象,反之从高温到低温冷却过程即为脆强转变.由于其意味着液体的结构发生了某种快速、非连续的变化,强脆转变现象成为异常动力学的典型代表.自1999年《Nature》杂志首次报道了水的强-脆转变现象之后,液体的强脆转变现象就作为凝聚态物理和材料科学领域中的前沿和热点问题被广泛关注.越来越多的研究表明,强脆转变现象在金属玻璃形成液体中普遍存在.为阐明金属玻璃强-脆转变现象对于深入理解玻璃转变本质、探讨液固遗传微观结构特征、揭示晶化过程相互竞争规律、提高玻璃形成能力、促进金属玻璃制备和处理工艺标准化等方面的重要意义,综合评述了强脆转变现象在金属玻璃形成液体中的普遍性、特殊性、定量表征、热力学表现以及结构起源等研究领域的最新进展,并指出了该领域今后的发展方向.     

金属Cu晶化与玻璃化行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法,运用Mishin镶嵌原子模型,研究了液态Cu在不同冷却条件下的晶化与玻璃化行为.记录了系统能量、体积、径向分布函数及公共近邻的变化,并在0K分析了弛豫后系统原子内能、原子Voronoi体积及原子应力等热力学性质的分布情况.模拟结果表明,在较慢的冷却条件下,液态Cu形成晶态;在较快的冷却条件下,液态Cu形成非晶态.与晶态Cu比较,金属玻璃Cu有较高的能量和较大的体积,其内部晶格畸变导致了本征应力的存在.     

非晶材料玻璃转变过程中记忆效应的热力学

低温下处于非平衡态的非晶材料升温到玻璃转变以上,要先后发生弛豫和回复最终达到平衡过冷液态,其中弛豫过程中释放的能量在回复过程中以等量的方式获取,表现出明显记忆行为.本文基于氧化物、金属与小分子等多种非晶形成体系,全面探讨了在围绕玻璃转变的一个冷却加热循环过程中的焓弛豫特征,建立了弛豫谱,发现弛豫焓在数值上与熔化焓密切相关.基于弛豫焓与非晶材料动力学Fragility之间的关联,展示了非晶体系在动力学极限(m=175)条件下的玻璃转变热力学基本特征,与热力学二级相变进行了对比.研究深化了对非晶弛豫与玻璃转变热力学的理解.     

GeS2-In2S3硫系玻璃的物化性质与晶化行为研究

认识玻璃组成-性能-结构之间关系是玻璃科学中经久不衰的研究课题之一. 在制得(100-x) GeS₂-xIn₂S₃ (x=10, 15, 20, 25或30 mol%) 系列玻璃和玻璃陶瓷样品的基础上, 利用可见-近红外透过光谱, DSC, XRD和Raman光谱等测试技术表征了随组份变化的光学带隙, 玻璃转变温度以及晶化行为等, 并结合GeS₂-Ga₂S₃玻璃研究结果探讨了Ga, In 元素及其形成的网络结构对玻璃性质的影响.研究发现, 在硫系玻璃中In比Ga对光学带隙和玻璃转变温度等性质的影响要大. 它们所形成玻璃的晶化行为也截然不同, 但与其各自的材料相图有着密切的联系. 利用偏振拉曼光谱获得玻璃网络中的基本结构单元信息.最后, 结合材料相图, 玻璃随组成变化的物化性质和晶化行为以及基本网络结构单元的认识, 探讨了玻璃的化学拓扑与网络拓扑之间的联系, 为今后研究提供一种新的研究思路.     

半晶态聚合物的分子动力学模拟

采用粗粒化聚乙烯醇模型,应用分子动力学方法模拟熔融态聚合物经过缓慢冷却、局部结晶形成半晶态聚合物的过程.静态结构因子的演变显示出在结晶初期小角散射强度的增大先于布拉格峰的出现,这与小角/大角X射线散射实验现象相一致.模拟得到的半晶态聚合物呈现为折叠链构成的晶区与非晶区交杂在一起的结构形态,与缨状微束结构模型相一致.研究发现在不同的冷却阶段具有不同的有序结构形成机制.从结晶温度到玻璃化温度的凝固过程中,存在分子链的伸展和伸直分子链之间平行排列两种形式的结构转变;而在玻璃化温度之后,材料的活性只允许调整伸直分子链之间的相对排列位置.     

基于薄液膜蒸发的超高速冷冻方法初探

玻璃化冷冻方法是细胞超低温保存的有效冷冻方法之一.在细胞的玻璃化冷冻过程中,降温速率的提高有利于细胞内外溶液玻璃化程度的增加,同时可以降低低温保护剂的浓度,进而减少低温保护剂对细胞的毒性损伤和渗透性损伤.本文尝试将薄液膜蒸发这种高效相变传热方式与液氮的低温冷却过程相结合,发展了一种超高速、超低温冷冻降温方法.初步的实验结果表明:冷冻载体从10℃降到-180℃,其平均冷却速率达到了148052℃/min。     

大块金属玻璃Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5的流变行为研究

采用静态拉伸方法在连续升温条件下动态地测量了大块金属玻璃Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5（Vit1）的黏度随温度的变化关系.在应变速率与温度的关系曲线中，观测到了与玻璃转变和晶化过程相联系的多个应变速率峰.在玻璃转变温度Tg以上，大块金属玻璃Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5的过冷液体呈现Newton流体特征，其黏度与温度的关系符合Vogel Fulcher-Tammann (VFT)关系式，拟合得到脆度D*＝36，VFT温度T0＝319K，脆度参数m＝30，这说明Zr41T 关键词： 大块金属玻璃 应变速率 剪切黏度 自由体积