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.     

金属纳米晶体的界面热力学特性

根据准协德拜近似从理论上计算了金属纳米晶体的界面热力学特性,包括界面过剩能、过剩焓、过剩熵、过剩Gibbs自由能等,着重讨论了界面过剩热力学参量与界面过剩体积和温度的关系.一些实验测量结果表明,理论计算与实验结果基本相符. 关键词：     

Cu-Zr-Ti三元非晶合金形成范围的热力学预测

用基于热力学观点的定量预测三元合金形成非晶成分范围的方法,对Cu-Zr-Ti三元合金系形成非晶的成分范围进行了计算。该方法通过比较晶态固溶体的自由能和相应的非晶态的自由能来确定非晶形成的成份范围,在自由能的计算中,三元系的热力学数据用相应的3个二元系的热力学数据由Toop模型外推得到,二元合金系的形成焓则通过Miedema理论的计算得出。结果表明,理论预测的形成非晶的成分范围与已有的实验结果符合得比较好。     

Al_xCrFeNiTi系高熵合金成分和弹性性质关系

为了探索Al_xCrFeNiTi系高熵合金组成成分和弹性性质的关系,结合固溶体特征参数和第一性原理计算,研究Al元素含量对Al_xCrFeNiTi (x=0, 0.5, 1, 2, 3, 4)合金结构和弹性性质的影响,并分析合金固溶体特征参数与弹性性质之间的关系.结果表明:Al_xCrFeNiTi系合金的价电子浓度随着Al含量的增加逐渐减小,合金在体心立方结构下的形成焓均低于面心立方结构,说明研究的Al_xCrFeNiTi系合金会形成单一的体心立方结构固溶体;合金的晶格常数和形成能力强弱随着Al含量的增加而增大,但合金的结构稳定性略有下降;当合金元素按照等原子比进行成分配比时,合金的原子尺寸差异最大; Al_xCrFeNiTi系合金中不同原子之间除了金属键结合外,还表现出一定的共价和离子键结合特征;对于Al_xCrFeNiTi系合金而言,随着热力学熵焓比的增大,合金体弹模量和韧性随之增大;随着合金混合焓的增加,合金在压缩方向的各向异性程度明显降低.热力学熵焓比和混合焓可作为Al_xCrFeNiTi系高熵合金成分设计的重要参数.     

熵在非晶材料合成中的作用

熵作为系统的状态函数,对于真实物质体系而言是一个极为重要的物理量.在非晶态合金的制备过程中最具代表性的指导原则有"混乱原理"和井上三原则,二者皆与熵有着紧密的联系.在过去很长一段时间内,这些经验准则指导了大量新型非晶体系的发现,但近些年的实验结果对这些理论提出了质疑.除组元数目之外,还有其他尚待研究的因素也影响着合金体系的玻璃形成能力.本文总结了玻璃转变过程中熵在热力学条件、动力学条件和结构条件中所扮演的角色,阐述了其对玻璃形成能力产生的或正或反的影响.特别是对近几年发展起来的高熵非晶体系的研究有助于开发出临界尺寸更大的非晶合金,也有助于进一步探索多组元合金和非晶形成能力之间的关系.     

热力学过程及物质结构对熵的影响

将宏观过程分解为多个微观过程，可以从多层面的微观角度理解宏观性质。如一般热力学过程的可逆与不可逆性的分解、导致软物质中分子发生凝聚的平移熵、描述非晶过冷及液体中相变区域分子关联运动的构型熵等。反之，利用热力学过程间的耦合原理，通过对微观过程的分解与综合，引入与分子运动相关的动态熵，可以合理地解释各种材料所表现出的不同特性，为制备新材料提供理论依据。     

Pd基非晶合金动态弛豫机制和应力松弛行为

作为潜在的功能及结构材料,高熵非晶合金在凝聚态物理和力学领域引起广泛的研究兴趣.高熵非晶合金宏观力学性能与微观结构非均匀性之间的关联是当前重要的科学问题之一.本文选取非晶形成能力良好的Pd_42.5Cu₃₀Ni_7.5P₂₀非晶合金和Pd₂₀Pt₂₀Cu₂₀Ni₂₀P₂₀高熵非晶合金作为模型体系,借助于动态弛豫行为及应力松弛实验建立了温度和物理时效对非晶合金高温变形机制与微观结构非均匀性之间的关联.研究结果表明Pd基非晶合金表现出“肩膀峰”β弛豫形式.玻璃转变温度以下物理时效非晶合金体系原子移动性导致β弛豫肩膀峰往更高的温度迁移.在应力松弛过程中,由于高构型熵的引入降低吉布斯自由能,这是高熵非晶合金具有较高激活能的原因.高熵非晶合金更难被激活,需要突破更高的能量势垒.物理时效时间增加,高熵非晶合金流变单元更小,这也得益于多主元高熵非晶合金慢扩散效应.高熵非晶合金激活体积的改变在物理时效下应力松弛...     

金属玻璃形成液体的热力学特性

通过分析规则熔体的热力学模型，计算了典型金属玻璃的熔体混合焓ΔH^mix和混合熵ΔS^mix.结合临界冷却速率，归纳出典型金属玻璃形成液体的热力学特性,并提出基于原子尺寸、元素组成以及元素之间混合焓等参数的形成大块金属玻璃的成分判定方法.结果表明，当ΔH^mix<-15 kJ·mol^-1且ΔS^mix>0.6 J·K^-1mol^-1时，合金易于形成大块金属玻璃.金属玻璃的临界冷却速率R_c具有明显的尺寸效应，其值与熔体的ΔS^mix值呈指数关系，可以用R_c＝42.24×10⁴exp(-13.91ΔS^mix)+19.66粗略判断.运用该方法成功设计并制备出远离原有Zr基大块金属玻璃形成区域(55at%—65at%Zr)的Zr₄₀Al₁₀Ni₁₅Cu₃₅和四元Fe-B基Fe₅₃Co₅Nd₁₂B₃₀大块金属玻璃. 关键词： 混合焓 混合熵 大块金属玻璃 玻璃形成能力     

理想气体热容的声学测试技术研究

根据热力学基本定律导出的一些热力学关系式,确定了各种热力学参数之间的普遍关联.只要知道了流体在理想气体状态下热容随温度的函数关系以及流体的状态方程,就能确定出该流体的内能、焓、熵、自由能、自由焓、(火用)以及逸度系数等热力学参数.此外,理想气体状态下的热容数据,还可用以反推分子结构与分子间相互作用的微观特性.因此,用实验方法确定工质在理想气体状态下的热容,对于流体工质热物性的研究具有十分重要的意义和作用.     

纳米多晶体的热力学函数及其在相变热力学中的应用

以往关于纳米材料热力学的研究，绝大多数以界面的热力学函数表征整体纳米材料的热力学性质，这种近似处理，对于尺寸超过几十纳米的较粗纳米材料，在相变热力学中对特征转变温度和临界尺寸等重要参量的预测，将导致很大误差. 应用“界面膨胀模型”和普适状态方程，研究了纳米晶界的热力学特性，进一步发展了纳米晶整体材料热力学函数的计算模型，给出了单相纳米多晶体的焓、熵和吉布斯自由能随界面过剩体积、温度，以及晶粒尺寸发生变化的明确表达式. 以Co纳米晶为例，分析了界面与整体纳米多晶体热力学函数的差异，确定了相变温度与晶粒尺寸的依赖关系，以及一定温度下可能发生相变的临界尺寸. 关键词： 纳米多晶体 热力学函数 相变热力学     

Al-Ni-RE非晶合金的晶化行为和热稳定性

本文制备了一系列Al-Ni-RE (RE=La, Ce, Y) 非晶合金薄带, 利用差示量热扫描仪和X射线衍射仪考察了非晶合金的晶化行为和初生相, 并分析了其与合金成分和原子特性间的关系. 结果表明: 在拓扑不稳定参数λ以有效原子半径修正为λ'后, 每一Al-Ni-RE非晶合金体系可由其两个临界值划分为纳米晶、纳米玻璃和玻璃三类; Al-Ni-RE非晶合金的晶化开始温度和混合焓与λ'成良好的线性关系, 即λ'能很好的表征Al基非晶合金的热稳定性. 关键词： Al基非晶 玻璃转变 初生相 热稳定性     

烧结Nd-Fe-B中的热力学影响

在烧结Nd-Fe-B中，各种相的形成，添加元素原子的替代、对磁体的微结构和性能的影响以 及大多数工艺与热力学都有密切联系.Al，Cu，Ga，Sn，Zn等与B均具有正的混合焓，在主相 中的浓度都很低，与富 Nd相反应改善磁体的微结构. Zi,Ti，Nb，W，Mo，V等与Nd有很大的 正的混合焓，与B具有很大的负的混合焓，能优化磁体的微结构和稀释磁体.参考热力学，系 统讨论了各种常用添加元素对烧结Nd-Fe-B的微结构、性能和制造工艺的影响. 关键词： Nd-Fe-B永磁体 混合焓 烧结     

论M.Casper的“吉布斯佯谬的佯谬”

国内外的热力学及统计物理教科书中曾有谈到吉 布斯佯谬的问题.综合各课本的说法,大约可分为二 种不同的观点:(1)不同种气体(例如氩与氖的混合) 的混合不产生吉布斯佯谬,但同一种气体(即全同气 体)的混合产生熵的增加叫做吉布斯佯谬;(2)两个 相同体积的全同的气体的混合、用热力学方法来计算 熵与用经典统计力学来计算熵,得到不同的结果,这种差异叫做吉布斯佯谬.这二种说法,我们将分别加以讨论; M .Casper的“论吉布斯作谬的体谬”一文所作的解释(见《大学物理》1982年第12期范印哲译)亦有问题,特别是对微观制备的说法不正确.兹将本人对本…     

Gd基非晶与Gd纳米晶复合结构的磁制冷效应

通过调控冷却速率和成分配比, 制备出了Gd基非晶与Gd纳米晶的复合材料. 采用X射线衍射、热分析、原子力和磁力显微镜对其微结构进行表征, 从多个角度证实了非晶/纳米晶的复合结构. 磁性测试结果表明: 内生的纳米晶颗粒能有效改善非晶基体的磁熵效应, 相对于Gd基块体纯非晶和Gd单质, 复合体系的磁制冷效率大幅提高达到了10³ J. kg^-1; 磁熵变化峰Δ S _m的半高宽超过纯Gd的5倍; 最大磁熵变区出现平台区,但Δ S _m峰值有待于进一步提高. 理论分析表明, 复合结构中超顺磁纳米团簇的形成有效提高了磁制冷温区和效率. 结合磁滞小和电阻大等优点, Gd基非晶/Gd纳米晶复合材料具有一定的发展潜力.     

玻璃化液体中构型熵与展宽弛豫函数关系的研究

运用Adam Gibbs关于构型重排区域的构型熵理论和极值动力学模型得到的弛豫时间的理论公式,提出了KWW型弛豫函数中的非指数展宽因子等于液体中构型重排区域的相对构型熵;并与一个构型重排区域内构型变换的临界分子数成反比,从而赋予了展宽因子新的关于玻璃化结构的物理意义,建立了结构弛豫与构型熵之间的关联.为了消除Vogel Fulcher Tamann方程拟合粘度实验数据在高温区的偏差,用温度的高阶项修正展宽因子与温度的关系,其结果在低于200K时符合得很好,其修正项等效于等压与等容热容量之差对构型熵的修正.     

熵调控的Gd2Co17金属间化合物的结构与室温磁性能

熵调控材料因其独特的设计理念和优于传统合金的性能而受到广泛关注.本文将熵调控的设计理念引入金属间化合物中,设计并通过真空电弧熔炼的方法制备了一系列熵调控的Gd₂Co₁₇金属间化合物,期望通过熵调控的方法来稳定其结构,改善其磁性能.应用热力学理论预言熵调控的Gd₂Co₁₇系列金属间化合物具有稳定的单相,其单相性被X射线衍射实验所证实.通过组态熵调控原子尺寸因素,获得了菱方和六方两种晶体结构.熵调控改善了Gd₂Co₁₇系列金属间化合物的室温磁性能,过渡族金属位的熵调控使磁各向异性发生由基面到易轴的转变,稀土位的熵调控有助于提高其矫顽力,所有熵调控样品室温时的饱和磁矩均比二元Gd₂Co₁₇显著提升,可能是稀土或过渡族金属子晶格磁矩无序取向削弱了金属间化合物中稀土的4f电子与过渡族金属的3d电子磁矩之间的反平行交换作用所导致.磁价模型研究表明:熵调控设计导致Gd₂Co₁₇系列金...     

量子关联引起的能量异常流动

量子关联是量子体系区别于经典的重要特征之一,如何量化与利用量子关联不仅是量子信息论中的核心问题,也是量子热力学中比较关心的话题.对于经典体系来说,能量总是自发从高温物体流向低温物体,即封闭系统的熵只能增加或保持,永远不会减少,同时随着时间增加,能量耗散增加,但整个体系始终未表现出较强的关联性.在量子体系下,子系统间往往...     

临界点附近H2气体的焓和熵的热力学计算

采用热力学方法和Benedict-Webb-Rubin(BWR)方程及相应的参数,计 算了临界温度附近H2气体的绝对焓和熵值,同时拟合了一组高准确度的定压比热容与温度 关联式参数.通过计算值与实验值的比较发现:在临界温度以上,计算值与实验值符合良好 ,对低于临界温度的未饱和H2气体也能计算出较好了结果.但对临界点和温度低于临界温 度、压强高于临界压强的过饱和H2气体的计算误差比较大,说明此时的H2气体的热力学性质特别,应当专门处理.     

新型胺类毒品分子的结构、光谱和热力学性质研究

采用密度泛函理论B3LYP/6-31++G**方法对2-胺基苯基丙烷(a)、2-甲胺-1-苯基丙烷(b)、7-甲氧基-a-甲基-1,3-苯骈二氧杂环戊烯-5-乙胺(c)、2,5-二甲氧基-a-甲基苯乙酰胺(d)四个新型胺类毒品分子进行结构优化,并进行频率和热容、熵、焓、自由能等气态热力学性质计算,获得它们的红外光谱、电子光谱和分子轨道图,模拟出标准摩尔热容Cpm、标准摩尔熵Sm、标准摩尔焓Hm等气态热力学性质与温度之间的函数关系式.     

典型高分子材料的固体核磁共振研究

本论文通过固体核磁共振（NMR）谱及动力学参量的测量,并结合X-射线衍射技术和DSC测量等研究了两种典型高分子材料的相结构、链的运动以及相与相之间的关系.  乙烯-醋酸乙烯共聚物( EVA) 是最主要的乙烯共聚物之一. 研究发现,EVA的相组成非常复杂,共有5个不同的组分. 除了PE中所观察到的常规单斜晶相和刚性的正交晶相外,我们发现还存在第三个晶相分量－运动性较强的晶相（SOCP,可能是转动相）. 它不仅拥有自己的熔点,而且它的化学位移和分子运动性不同于刚性正交晶相（LOCP）. 另一方面,非晶相也由两种不同的分量组成：运动受限的各相异性的非晶界面相和高度可动的橡胶型的非晶相. 我们进一步详细研究了EVA中的晶区链动力学和非晶区的低温冻结行为. 实验发现,在正交晶相中,高分子链以180° flip-flop方式运动,同时伴随沿链方向的平移型跳跃运动,并引起正交晶相和非晶相之间的长程链扩散,通过NOE的测量证实了这种相间链扩散的存在,并进一步通过实验证实这种相间链扩散是一种受限扩散而不是自由扩散. 同时非晶相的两个组分具有不同的低温冻结行为：当温度低于-弛豫转变温度时,橡胶型的非晶相中的长程分子运动被冻结,但仍存在分子的局域运动;而界面非晶在低温时冻结成一种有序取向结构,并用质子自旋扩散实验证实该有序结构与正交晶相相邻近.  少量纳米级片层状粘土分散在聚合物中就可赋予材料许多优异的性能,我们用固体NMR技术对EVA/REC复合材料的结构和其中粘土的分散性质进行研究,发现上述复合材料中所形成的晶体类型不仅依赖于各组分的性质还依赖于所形成的复合材料的类型.  偏氟乙烯/三氟乙烯共聚物（P（VDF-TrFE））是最主要的铁电高聚物之一. 我们利用变温固体¹⁹F MAS NMR 谱及弛豫数据的测量详细研究了电子辐照对P(VDF-TrFE)共聚物的分子结构、构型、运动性以及相变等的影响. 发现,电子辐照不仅改变了分子链段的构型和运动性,同时也改变了局部分子化学结构. 电子辐照促使铁电相向顺电相(或者非晶相)转变,与此同时诱发了富含VDF和含-TrFE链段从全反式的构型到混合的反式-旁式构型的转变. 电子辐照加剧顺电区域中的分子运动而在高温熔融态中(>100 ℃）,分子的运动反而受限.