固相粒子对合金熔体非晶形成能力的影响及其尺寸效应

用高温熔体X射线衍射仪、高温熔体物性测量仪并结合计算机模拟，研究掺加不同尺寸、不同形貌、不同种类固相粒子的金属熔体结构特征及粘滞行为；通过对不同温度下结构因子、双体分布函数、熔体微观不均匀结构的种类和相关半径等结构信息的检测对比，分析固相粒子对Mg基合金熔体结构的影响规律，获取固相粒子在熔体凝固过程中与材料微结构形成之间的关联信息。探索固相粒子在凝固过程中的尺寸效应；利用多尺度模拟方法，获得快速凝固过程中固相粒子与原子团簇的协同性演化规律，揭示固相粒子对非晶形成能力的影响机制。在本项研究中，理论模拟与实验数据相互印证，可增加研究结果的可靠性。研究结果将有助于认识固相粒子与金属熔体相互作用的微观物理本质，对于开发和设计新型非晶复合材料提供可靠的实验依据和理论指导。

固相粒子增强是改善非晶合金性能的重要手段，但是固相粒子的加入又严重影响了合金熔体的非晶形成能力。本项研究利用理论模拟和实验验证相结合，研究了掺加碳纳米管（CNTs）等固相粒子的熔体的结构及凝固行为。通过对掺加固相粒子熔体的双体分布函数和局域结构的分析，发现固相粒子对熔体的微观结构有着显著影响。固相粒子将诱发熔体微观不均匀结构的突变并进一步影响熔体的凝固行为。固相粒子的尺寸和形貌与熔体的非均质形核存在内在关联性。片状固相粒子将诱发熔体结构短程有序化并演变成有序液体，有序液体进一步固化并向前方演化成密度波，密度波使得熔体由短程有序变成长程有序。圆柱状固相粒子将诱发熔体螺旋形核并形成“年轮”结构。“年轮”结构的实质是熔体形核生长过程中对固相粒子形貌的“复制和拷贝”，该结果从微观层次证明了液固结构之间的“遗传性”和结构信息传递的内在联系。固相粒子的数量将严重影响熔体的非晶形成能力，含有多粒子的熔体在形核过程中存在“生长竞争”现象。本项目研究了非晶合金的尺寸效应。当非晶合金的尺度达到纳米尺度时，非晶的脆性将不复存在而变成塑性材料。纳米非晶拉伸变形存在微观不均匀性。非晶与纳米晶的“壳芯”结构具有良好的塑性，拉伸过程存在晶体部分的非晶化化。其变形机制既不同于非晶的“剪切带”模式，也不同于晶体的“滑移”模式，它是以“扩散”模式进行变形的。本项研究在Appl.Phys.Letts，Carbon，Acs Nano，J.Appl.Phys等共发表学术论文19篇，获教育部自然科学二等奖一项，申请发明专利2项，与国外同行合写专著2部。研究结果有助于认识固相粒子与金属熔体相互关联的微观物理本质，对于开发和设计新型非晶复合材料具有重要的科学意义和实际应用价值。