微重力条件下流体相变和临界现象

研究流体相变及临界现象对今后化学工程的发展有重大意义．由于各种具有临界点的体系在各自 临界点有一些共同的实验特征和极相似的临界现象，而流体的研究在实验上又有独特方便之处，所以可 作为普适性研究将理论及实验结果推广到固体．微重力条件下的流体相变及临界现象研究提供了十分 靠近临界点的最佳实验条件，本文介绍了这方面研究工作的物理意义及进展．     

非晶合金的离子辐照效应

非晶合金作为一种快速凝固形成的新型合金材料,引起了材料研究者的极大兴趣.微观结构上长程无序、短程有序的特征使其具有独特的物理、化学和力学性能,在许多领域展现出良好的应用前景,尤其是有望成为核反应堆、航空航天等强辐照环境下的备选结构材料.本文深入探讨非晶合金的辐照效应,主要讨论离子辐照对非晶合金微观结构、宏观力学性能以及其他物理化学性能的影响,可为进一步理解非晶合金的微观结构和宏观力学性能之间的关系提供有效的实验和理论基础,也可为非晶合金在强辐照环境下的服役性能预测提供实验依据,对推进非晶合金这一先进材料的工程化应用具有重要的理论与实际意义.     

块体非晶合金的韧塑化

块体非晶合金因其独特的原子结构而具有许多优异的力学性能,成为近年来材料领域的研究热点之一,但是由于其在变形过程中的室温脆性和应变软化等关键问题一直制约着其实际工程应用.为解决此问题,块体非晶合金领域的研究者们提出了多种方案,包括通过在非晶合金中调控其内禀特性如弹性常数、结构不均匀性,通过外加手段改变其应力及缺陷状态,通过外加和内生的方法在非晶基体中引入晶态增强相等方式,获得了一系列力学性能优异的块体非晶合金及其复合材料.特别是利用"相变诱导塑性"(transformation-induced plasticity,TRIP)概念研制出的块体非晶合金复合材料,同时具有大的拉伸塑性和加工硬化能力.本文围绕块体非晶合金的韧塑化这个关键科学问题,对单相非晶及非晶复合材料的韧塑化方案及机理进行了综述,着重介绍了TRIP韧塑化块体非晶合金复合材料的制备、性能、组织调控及韧塑化机理等,并对此领域的未来发展进行了展望.     

不均匀性:非晶合金的灵魂

非晶合金,即金属玻璃,是一类特殊的由基本化学元素组成的非晶态物质,由于其独特的微观组织结构,展现出了不同于传统晶态合金材料的特殊物性,而成为高性能材料应用领域的重要一员.由于非晶合金的结构无序性,且当前精确表征其微观结构的实验手段缺乏,相应的理论模型也不完善,人们对非晶合金中一些基础物理问题的认识尚且不足,无法形成基本的理论框架来精确地描述其物性产生的微观机理.因而,当前非晶合金研究的核心问题可以概括为:如何建立以微观特征或结构为基础的基本理论框架,准确地概括非晶合金物性的微观机理.在过去几十年里,针对非晶合金的大量研究表明,在非晶合金长程无序的特征中,隐藏着本征的不均匀性和有序,且这些不均匀性的特征与材料物性有着密切的关联,使得建立以不均匀性特征为基础的理论框架成为可能.本文从非晶合金微观特征的不均匀性包括静态不均匀性和动态不均匀性的视角出发,概括性地总结了非晶合金材料与物理研究中取得的丰硕成果,及当前需要关注的重要科学问题,并针对未来可能的研究模式进行了展望.     

同步辐射技术在无序合金结构与性能研究中的应用

同步辐射装置作为大科学装置和多学科的实验平台,已成为物质结构,特别是无序物质结构研究最有效、最先进的手段之一.文章简单介绍了同步辐射技术在研究无序合金结构、液态合金结构、非晶多形态相变以及块体金属玻璃力学行为等方面的应用.随着第三代的上海同步辐射光源（SSRF）的建立,国内用户利用先进的同步辐射技术开展研究又多一个选择, 相信上海光源对中国科研的发展将起到积极的推动作用.     

锆基非晶合金的动态弛豫和应力松弛

非晶合金动态弛豫、变形和微观结构非均匀性之间的关联是非晶态物理领域重要研究内容之一.本文选取玻璃形成能力优良,热稳定性好的Zr₄₈(Cu_5/6Ag_1/6)₄₄Al₈块体非晶合金作为研究载体,借助于动态力学分析及应力松弛实验探究了温度和结构弛豫对非晶合金动态弛豫和变形行为的影响.研究结果表明非晶合金动态弛豫行为对温度极其敏感,随温度升高表现为等构型、老化、玻璃转变和晶化4个阶段.基于玻璃转变温度之下等温测试,结构弛豫行为导致非平衡高能量状态非晶合金向低能量状态迁移,内耗随时间演化规律可用Kohlrausch-Williams-Watts (KWW)扩展指数方程描述.此外,基于KWW方程和激活能谱等方法分析了模型合金应力松弛过程中非均匀结构激活,该过程涉及弹性变形向非弹性变形的转变.由于非晶合金存在微观尺度的结构非均匀性与能量起伏,变形单元的激活并非为单一特征时间,而是服从一定分布.通过考虑对数时间尺度和变形单元激活的特征时间分布分别为对称Gauss分布和非对称Gumbel分布,可...     

La基非晶合金β弛豫行为:退火和加载应变的影响

β弛豫行为是理解非晶合金扩散、塑性变形和玻璃转变行为的重要切入口.本研究以具有显著β弛豫行为的(La_0.6Ce_0.4)₆₅Al₁₀Co₂₅非晶合金为研究载体,利用动态力学分析仪,研究了加载频率、退火以及加载应变等因素对非晶合金β弛豫行为的影响.结果表明,随着加载频率的升高,非晶合金β弛豫峰向高温段移动.低于玻璃转变温度退火导致非晶合金β弛豫峰内耗值降低,非晶合金“缺陷”浓度降低,玻璃体系向更稳定状态迁移.随加载应变幅值增大,非晶合金β弛豫强度增大.本研究为进一步厘清非晶合金β弛豫起源提供新思路.     

热核破碎中的矩关联和临界现象

本文用蒙特卡罗方法,根据核素表和质量及电荷守恒律,产生热核Au*破碎的各种碎块组态,再对碎块电荷分布作条件矩分析.理论结果很好地再现了电荷分布实验数据中呈现的条件矩间的对数关联;但理论关联行为的导出与临界现象似乎没有联系.     

纳米结构非晶合金材料研究进展

迄今为止,人类社会新技术的发展主要是基于各种晶体材料(如金属、半导体等)的应用.晶体材料的性能可以通过改变它们的微观缺陷结构和/或微观化学结构来调控,但这对于当前的非晶材料而言却是难以实现的.新型的纳米结构非晶材料可以通过引入大量的非晶/非晶界面来改变非晶材料的微观缺陷结构和/或微观化学结构,从而实现对其性能的调控.本文主要讨论了目前纳米结构非晶合金材料的研究进展,包括其制备方法、结构特征和新性能.通过利用这些新特性,有可能会开启一个基于非晶材料的新技术时代.     

论材料非晶形成中的焓与熵:竞争亦或协同?

液固Gibbs自由能差是决定材料非晶转变的热力学关键因素,但该参量在预测非晶转变和指导非晶成分设计方面仍有一些基本问题有待解决.其中,一个关键问题是:作为Gibbs能差的两个核心要素,焓与熵,二者在决定和控制非晶转变中关系并不明确.基于课题组系列研究结果,本文就焓与熵在材料非晶转变中的协同性与独立性问题进行了全面探讨,发现二者在决定非晶形成上具有很强的相关性.理论分析和实验测量相结合,展示了材料熔化熵与熔点粘度、混合焓等多个非晶形成经典参量之间的内在关联,证实熔化熵与材料非晶形成之间的密切关联;并从多个角度证实材料低熔化熵有利于非晶形成,纠正了传统上基于经典形核理论得出的高熔化熵有利于非晶形成的认识.研究也发现,决定非晶形成的关键动力学与热力学参量,如粘度和混合焓,均可通过熔化熵得到表达.进而论证了熔化熵在评估非晶形成、指导非晶成分设计中的可靠性和有效性,由此提出熔化熵可作为理解指导材料非晶形成的代表性热力学参量.系列成果为发展非晶形成热力学、深入理解材料非晶形成提供了参考与思路.     

Critical Behavior of Liquid 3He

We investigate the liquid–gas second-order phase transition in liquid ³He using the variational calculations based on the cluster expansion of the energy functional. We also compute the critical point exponents of liquid ³He that are in agreement with experimental data.     

非晶态合金与氢相互作用的研究进展

非晶态合金在力学性能、耐磨耐蚀性、磁性等方面比传统晶态合金具有显著优势,是一类有优良应用前景的新型结构与功能材料.非晶态合金与氢相互作用可以产生很多有趣的物理化学现象和应用.本文从物理基础和材料应用两个方面评述非晶态合金和氢相互作用的研究进展,在物理基础研究方面,从氢在非晶态合金中的存在状态出发,讨论氢在非晶态合金中的溶解、分布、占位和扩散等相关物理问题,进而分析氢对非晶态合金的热稳定性、磁性、内耗、氢脆等的影响.在材料应用研究方面,对非晶态储氢合金、非晶态合金氢功能膜、吸氢改善非晶态合金的塑性和玻璃形成能力、氢致非晶化、利用非晶态合金制备纳米储氢材料等方面的研究进展进行评述.最后总结并展望有关非晶态合金与氢相互作用的研究和应用.     

Mechanical, vibrational, and dynamical properties of amorphous systems near jamming

Amorphous systems undergo the jamming transition when the density increases, temperature drops, or external shear stress decreases, as described by the jamming phase diagram which was proposed to unify different processes such as the glass transition, random close packing, and yielding under shear stress. At zero temperature and shear stress, the jamming transition occurs at a critical density at Point J. In this paper, we review recent studies of the material properties of marginally jammed solids and the glassy dynamics in the vicinity of Point J. As the only singular point in the jamming phase diagram, Point J exhibits special criticality in both mechanical and vibrational quantities. Dynamics approaching the glass transition in the vicinity of Point J show critical scalings, suggesting that the molecular glass transition and the colloidal glass transition are equivalent in the hard sphere limit. All these studies shed light on the long-standing puzzles of the glass transition and unusual properties of amorphous solids.     

Effect of rare-earth elements on nanophase evolution, crystallization behaviour and mechanical properties in Al-Ni-R (R = La/Mischmetal) amorphous alloys

The crystallization behaviour and evolution of nanoparticles in amorphous Al-Ni-Mischmetal (Mm) and Al-Ni-La alloys during heat treatment have been studied. Rapidly solidified ribbons were obtained by induction melting and ejecting the melt onto a rotating Cu wheel in an Ar atmosphere. The crystallization behaviour of the melt-spun ribbons was investigated using differential scanning calorimetry and X-ray diffractometry (XRD). XRD studies confirmed that all the ribbons were fully amorphous. Al-Ni-Mm systems showed a three-stage crystallization process whereas Al-Ni-La system, in general, showed a two-stage crystallization process on annealing. Crystallization kinetics was analysed by Kissinger and Johnson-Mehl-Avrami approaches. In Al-Ni-La alloys, the crystallization pathways depend on the La concentration. Microhardness of all the ribbons was examined at different temperatures and correlated with the corresponding evolution of phases.     

高压下的铁基超导体:现象与物理

始于2008年的铁基超导体研究续写了高温超导发展史的新篇章.回顾过去十年对铁基超导体的研究,在理论、实验及应用方面都取得了辉煌的成绩,丰富了人们对高温超导电性的认识,为突破高温超导机理研究、最终实现超导材料的人工设计与更广泛的应用奠定了坚实的基础.本文主要介绍了通过高压实验研究手段在铁基超导体的研究中取得的一些重要进展及呈现出的新现象和新物理,例如压致超导现象、压力导致的超导再进入现象、压力对超导转变温度的提升效应、压力研究对铁基超导体超导转变温度的预测、相分离结构对超导电性的影响及反铁磁-超导双临界点的发现等.希望这些高压研究结果与本文报道的其他各类实验与理论研究成果一起,为全面、深入地理解铁基超导体勾画出一幅较为完整的物理图像.     

非晶态合金Cu_xPd_(1-x)形成过程合金效应及微观结构转变特性的模拟研究(英文)

本文根据量子Sutton-Chen多体势,采用分子动力学方法对含有50000个原子大系统液态二元合金Cu_xPd_(1-x)(CuPd的原子半径比为1.14)在快速凝固过程中的微观结构转变特性进行模拟研究.运用Honeycutt-Andersen(HA)键型指数法和原子成团类型指数法(CTIM)分析了液态和固态的微观结构特性.研究结果发现:在7.73×10~(13)K/S冷却速率下,Cu_xPd_(1-x)合金形成以1551、1541和1431三种键型为主的非晶态结构;系统以1551键型和由1551键型构成的(12 0 12 0)二十面体团族在所有的键型和团簇中占主导地位,并且在液态合金Cu_xPd_(1-x)微观结构转变中起着关键性作用.通过分析键型、团簇和平均原子体积,我们发现液态合金Cu_xPd_(1-x)的玻璃转变温度是573K.同时还发现,原子的平均配位数的变化与1551,1441,1661键型的变化趋势相当接近,这反映出体系对称性结构的变化规律与配位数的变化有关.     

Aluminium based amorphous and nanocrystalline structure

Aluminium based rapidly quenched alloys of nominal composition Al₉₀Fe₇Nb₃ and Al₉₄Fe₂V₄ were studied by Mössbauer spectroscopy. Samples annealed up to 573 K showed amorphous structure represented by quadrupole doublet. From corrected spectra areas the values of f-factor were calculated. In the case of AlFeNb samples f-factor was estimated as f = 0.26 and for AlFeV f = 0.31. The corresponding Debye temperatures were also calculated. Higher temperature annealing at 773 and 873 K induced deformation of nano- and microcrystalline state. Mössbauer spectra of samples of both compositions (with vanadium as well as with niobium) annealed at 773 K showed superposition of crystalline phases with dominant role of Al₃Fe alloy. During annealing at 873 K, phases with large grains and small amount of FeAl metastable phase were developed (Das et al. Mat. Sci. Eng., A304–A306, 159, 2001; Illeková et al. Mat. Sci. Eng., A375–A377, 946, 2004).     

An influence of pressure on magnetic properties of some amorphous alloys

Abstract

The paper presents the results of measurements of of magnetic properties of some Fe based amorphous alloys. The magnetization curves B(H) have been investigated within the range of pressure up to 2.5 GPa showing considerable changes with pressure. The reduction of spontaneous magnetization has been observed due to the pressure shift of Curie temperature. In some cases the total disappearence of ferromagnetism with increase of pressure has been observed at isothermal conditions.     

A fast method to diagnose phase transition from amorphous to microcrystalline silicon

A series of hydrogenated silicon thin films were prepared by the radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition method (RF-PECVD) with various silane concentrations. The influence of silane concentration on structural and electrical characteristics of these films was investigated to study the phase transition region from amorphous to microcrystalline phase. At the same time, optical emission spectra (OES) from the plasma during the deposition process were monitored to get information about the plasma properties, Raman spectra were measured to study the structural characteristics of the deposited films. The combinatorial analysis of OES and Raman spectra results demonstrated that the OES can be used as a fast method to diagnose phase transition from amorphous to microcrystalline silicon. At last the physical mechanism, why both OES and Raman can be used to diagnose the phase transition, was analyzed theoretically.     

铁基软磁非晶/纳米晶合金研究进展及应用前景

非晶合金通常是将熔融的金属快速冷却、通过抑制结晶而获得的原子呈长程无序排列的金属材料.由于具有这种特殊结构,铁基软磁非晶合金具有各向同性特征、很小的结构关联尺寸和磁各向异性常数,因而具有很小的矫顽力H_c,但可和晶态材料一样具有高的饱和磁感强度B_s.优异的软磁性能促进了铁基软磁非晶合金的应用研究.目前,铁基软磁非晶/纳米晶合金带材已实现大规模工业化生产和应用,成为重要的高性能软磁材料.本文回顾了软磁非晶合金的发现和发展历程,结合成分、结构、工艺对铁基非晶/纳米晶合金软磁性能的影响,介绍了相关基础研究成果和工艺技术进步对铁基软磁非晶/纳米晶合金研发和工业化应用的重要贡献.并根据结构、性能特征将铁基软磁非晶合金研发与应用分为三个阶段,指出了目前铁基软磁非晶合金研发与应用中面临的挑战和发展方向.