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[交流] 【专题】（转）非晶合金材料与物理香山科学会议总结报告

转过来一起学习下

非晶合金材料与物理香山科学会议总结报告
非晶合金材料与物理

———香山科学会议第347次学术讨论会

块体非晶材料制备及相关材料科学与物理问题的研究是目前世界上材料科学和工程领域前沿研究热点之一，美国、日本、欧洲等都投入了相当的人力与物力来开展相关方面的研究与应用工作。我国在此领域也已开展约15年的工作，在具有优异功能与工程性能的Zr、Fe、Mg、Ti及稀土Ce基等新型块体非晶合金的合成，微结构表征与模拟，形变与断裂机制等方面做出了贡献，有些研究成果已在国际上产生影响。

2009年4月14～16日，以“非晶合金材料与物理”为主题的第347次香山科学会议在北京举行。北京科技大学陈国良教授、中科院金属所胡壮麒教授、上海交通大学周尧和教授、清华大学柳百新教授担任会议执行主席。来自国内24个单位的37余位专家参加了会议。本次会议总结交流了非晶材料形成理论与相关材料与物理问题研究取得的主要成就，围绕非晶合金的结构及其表征、非晶态合金的形变与断裂及非晶材料的加工成型与应用等中心议题，分析讨论在该领域中存在的关键科学与应用技术问题，预测其未来发展趋势与方向，并探讨了我国未来在该领域做出有创造性工作和取得有重要创新性结果的可行途径。大块非晶合金是一种新型金属材料，对大块非晶在科学和技术层面上的研发, 都具有重大意义

香港科技大学C. T. Liu教授应邀作了“大块非晶合金的研究进展”的主题报告。他指出: 块体非晶合金由于与各种传统材料相比具有更为优异的物理、化学、力学性能及精密成型性，在航空航天器件、精密机械、信息等领域显示出重要的应用价值。但是，玻璃形成能力与形成理论、原子尺度的结构特征、结构缺陷类型和表征方式、非均匀形变与脆性断裂、剪切带的萌生与滑移扩展、制备过程中的结构与流变特性可控制性等仍是材料科学与物理研究的重大挑战性问题。他从大块非晶合金的相变及特征温度，非晶形成能力判据，非晶合金原子结构模型，大块非晶的变形模式，非晶的强度与物理参数如：玻璃转变温度、弹性模量和热膨胀系数关联，非晶合金的独特性能特点和应用前景介绍了国际上最新动态和他的近年来的研究成果。他认为非晶合金未来的研究领域是：在原子结构方面，泰国模拟计算和实验研究，建立合理原子结构模型, 来解释大块非晶合金的物理和力学性能；在非晶形成能力方面: （1）了解和预测非晶形成能力，开发具有高非晶形成能力的大块非晶合金，特别是Ti基，Fe基和Al基合金体系；（2）在非晶合金的变形方面: 从机制上了解剪切带的孕育，扩展，分支和中止，提高大块非晶合金的压缩和拉伸塑性。利用超级计算机进行从头计算和分子动力学模拟，预测剪切带的变形行为。（3）发展非晶合金复合材料: 开发以大块非晶合金为基体的、具有优异力学和物理性能的复合材料；（4）探索大块非晶合金的独特应用领域, 特别是在微技术，压印，生物技术和涂层，（5）创新的制备和加工技术: 通过开发新技术, 降低成本，促进大块非晶合金的工程应用。

为了更好地了解发达国家在非晶合金研究领域的科技政策，会议邀请了日本东北大学陈明伟教授介绍了日本政府正在实施的 “世界顶尖国际研究中心计划（WPI）”。该计划始于2005.3.28，首先由日本内阁发布了启动第三次科技发展，创建世界30个顶尖研究中心的推荐意见。2006.7.14，日本科技厅发布了创建研发的综合战略，建立世界顶尖的研究中心以提供坚实基础战略计划，该计划上报日本内阁，内阁于2007年6月1日发布了建立25 个研发中心，作为最高重要的政策目标。该计划经过进一步修改，于2007.6.19获得内阁批准，将这些研究中心最为经济增长创新体系，来构筑世界研究中心作为日本增强国际竞争力的手段。

在这25个中心中，就有日本东北大学WPI材料研究先进中心，该中心通过集合东北大学材料科学、物理和化学的基础研究的能力，自由发展组装原子和分子的方法，以发展各种物质和材料，如纳米材料、具有硬磁和生态声光的金属玻璃等先进功能材料。该中心料科学、物理和化学领域的科学家担任首席科学家，其中有10人分别来自美国、英国、德国、法国和中国。日本政府2007年和2008年分别为该中心拨款35和71亿日元作为研究经费。陈明伟教授介绍，在日本东北大学WPI中心，非晶合金的研究居于最核心的基础研究位置，在该方向上，领军人物就是东北大学校长井上明九教授，他是世界上块体非晶合金研究的创始人之一。2009年，井上明九教授和另一位著名教授W. L. Johnson教授一起共同获得了James C. McGroddy奖。

一、非晶合金的结构及其表征

北京科技大学教授作了“金属玻璃的结构及其表征”的中心议题报告。他阐述了金属玻璃(非晶合金)结构研究中的几个重要问题。他指出：非晶合金在近程尺度存在明显的原子密集区，原子间近程相互作用导致产生各种短（中）程有序结构，是非晶固体结构的重要特点。非晶合金中近邻原子形成的短程有序结构，其有序程度、尺度和结构特征与合金成分、熔体冷却或其它制备热历史密切相关，与环境、温度、压力等外部条件也有关系。这是非晶转变的重要特点。他的小组研究、发现，熔体冷却过程中形成不同种类的短程序将增加结晶阻力，导致更大过冷，是为多种短程序过冷，提高非晶形成能力；存在大量的20面体拓扑短程序也有利于提高非晶形成能力。他们还发现非晶合金中还存在中程有序结构。研究指出，相邻的以溶质原子为中心的短程序能够通过各种共用原子的方式相互连接成一个中程有序结构。其尺度是2-3个最近邻短程序结构的组合。

他指出，非晶原子结构研究最新发展是试图把自由体积引入原子结构。他们假设非晶自由体积由原子间是否成键决定，从而提出一种与原子配位数相关联的原子尺度上表征自由体积的方法，并由此计算得到自由体积的分布规律，符合自由体积理论。通过这种方法实现了非晶中短（中）程序Cluster和自由体积的有机结合，从而得到金属玻璃的原子结构的整体特征

他们最近研究结果表明，晶体原子结构以三维周期性为特征，固液转变破坏了三维周期性结构，原子分布转向无序密排，液态冷却得到的非晶结构中每个原子周围都倾向形成密排原子壳。原子无规密堆将导致RDF峰位的特征分布。冷却过程中的结晶倾向使原子堆垛由随机密排向三维周期堆垛发展，将产生不同有序度的原子堆垛结构。因此，非晶结构不应仅有用3D有序排列来描述的SRO结构，还应该包括尺度更大的1D和2D的 MRO结构。液体冷却过程中只要尚未出现3D周期性结构，原子就被冻结，是否可认为还是发生了非晶转变？由此角度出发，也可尝试用缺位有序堆垛（IOP）来评价非晶结构中的有序堆垛结构。

山东大学边秀房教授从金属熔体结构和性质角度出发，概述了液体脆性研究的国内外现状，分析了过冷液体脆性在金属非晶形成能力研究的进展和存在的主要问题。描述了金属熔体过热脆性的物理意义，定义金属熔体液相线以上的动力学粘度对温度变化率在液相线的值，为过热脆性参数。分别利用高温X-射线衍射仪和震荡杯高温粘度计等测试手段，对金属熔体结构及相关物理性质进行研究的结构表明：金属熔体团簇的结构参数，如团簇尺寸，原子配位数，相关半径等在金属快冷过程中的变化率是表征熔体的结构稳定性的重要物理参数，揭示了熔体结构稳定性与金属非晶形成能力之间的关系。介绍了过热熔体脆性在铝基二元及多元非晶，铜基非晶和稀土基非晶等合金方面的研究结果，探讨了过冷液体脆性与过热熔体脆性之间的区别与联系，为块体金属非晶研制提供了新的思路。

大连理工大学董闯教授从团簇线方法出发提出了“团簇加连接原子”模型，来解释金属玻璃和准晶的成分规律。在这个模型中，结构被解离为两部分：第一壳层配位多面体团簇和额外的连接原子，故用团簇式表示为【团簇】【连接原子】x，其中团簇可为CN9三棱柱，CN10八面体反棱柱和CN12的二十面体，这些团簇都可从现有晶体相中得到。他进一步分析包括金属玻璃，准晶和复杂金属间相在内的复杂金属合金的成分式。他指出团簇模型的物理基础是基于Friedel震荡的球周期。进而提出了每种类型相的成分式。他用团簇式还分析了一系列复杂金属相，然而由于连接原子的数目随着相的不同而变化，这些团簇式不像金属玻璃和准晶那样简单。从这个意义上来说晶体相比看上去复杂的非周期结构更复杂。最后他指出，用团簇和连接原子表示的团簇成分式就是描述化学物质的分子式。它们不仅表示了合金相的成分而且包含了重要的结构信息。同样的分子式可以推广用于各种材料。

北京科技大学惠希东教授以非晶合金的结构与玻璃转变为题介绍了非晶合金结构研究的发展动态，指出将无序结构中的有序结构研究与非晶合金的原子结构模型结合起来，是揭示玻璃转变与结构本质的一个有效途径。特别是块体非晶合金在加热过程中具有很宽的过冷液相区，为研究玻璃转变、玻璃的结构弛豫和相分离等关键科学问题提供了方便。他还从非晶合金的原子结构及其相变和重要物理量的关联来阐述对玻璃转变的本质的进展情况，并对非晶合金的结构和玻璃转变提出了新的见解。

中国人民大学李茂枝教授作了Cu-Zr二元金属玻璃体系的微观结构特征报告。他认为，非晶态材料如金属玻璃的结构及其表征是凝聚态物理和材料科学领域中长期存在的热点和难点之一。在过去的几十年中，研究人员已经对此进行了大量的理论和实验研究，但是人们对非晶合金的三维原子结构的认识和描述远远不够。这在很大程度限制了人们对其动力学性质、力学性质以及玻璃形成和玻璃转变的认识和理解。因此，对非晶合金结构的研究和表征还需要对以下几方面进行思考和探讨：（1）研究非晶合金结构的统计性质，建立具有统计意义的结构模型；（2）深入探讨各种微观原子团簇的特征以及在非晶合金的结构中所起的作用。例如，二十面体团簇是如何影响非晶合金的结构？与其他种类的原子团簇之间的关系如何？（3）如何确定和表征结构中的中程序特征？（4）原子团簇和中程序是如何影响非晶合金的动力学性质、力学性质以及玻璃形成能力的。他们针对CuZr二元金属玻璃体系，从理论和实验上研究了体系的结构特征。提出了一个统计分析方法，研究了各种原子团簇之间的空间关联特性，并发现，在CuZr体系中而是面体的原子团簇在空间有很强的关联，并倾向于堆积成链状，进而形成网络结构。这些研究有助于理解非晶合金材料中的中程序特征、动力学性质以及玻璃态的形成。

浙江大学蒋建中教授作了非晶合金原子结构探讨的报告，他认为：对金属玻璃结构和行为的深入认识将有助于材料设计和应用。应采用同步辐射和中子等先进实验技术, 结合先进理论计算技术，来过热、深过冷金属熔体和非晶态合金的原子结构。在极端条件下(高温,高压,拉伸)研究非晶合金原子结构可得到加深人们对非晶合金本质的认识。

[ Last edited by hslining on 2009-9-12 at 08:58 ]

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