Cu64Zr36非晶合金原子结构研究文献综述

 2021-09-27 00:08:34

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1. 非晶的发展概述

自然界中的物质，从原子排列是否具有长程序来考虑，可以分为两大类：一类为有序结构；另一类为无序结构。非晶固态材料是为无序结构材料。一般来说，当组成物质的原子分子的空间排列不呈现周期性和点群对称性，长程序受到破坏，只是原子间的相互关联作用，使其在几个原子间距的小区间内（约10-15埃），这样一类特殊的物质状态统称为非晶态，得到的材料称为非晶合金或金属玻璃[1]。

1.1 非晶发展历程

自从1960年美国加州理工学院的Duwez[2]及其同事采用直接将液态金属激冷制备出Au-Si非晶合金以来，金属玻璃已经经历了50多年的历史。由于薄带其长度和宽度方向上非常有限，非晶合金的发展遇到瓶颈，直到1969年，Pond[3] 等人用轧辊法制备出长度可达几十米的非晶合金薄带。同年，Chen和Turnbull[4] 通过将液态金属直接滴落到Ag或Cu的基片上获得了厚度为1mm的Pd基非晶合金，预示着大尺寸金属玻璃形成的可能性。1982年，Turnbull[5]等人利用深过冷原理，制备出了尺寸达厘米级的Pd-Ni-P大块非晶合金(BMG)棒。80年代后期，日本东北大学的Inoue等人研究制备了三元镧基非晶合金La-AI-Ni和La-Al-Cu[6]，具有极强的玻璃形成能力，利用铜模铸造法得到了厚度达几个毫米的全非晶棒材。90年代初，除了日本东北大学Inoue小组致力于开发新型块体非晶合金外，另一个著名的研究小组是美国加州理工学院的Johnson小组。Johnson工作组用铸造方法也得到了直径为10~30 mm的Zr-Ti-Ni-Cu-Be系块体金属玻璃[7]，该合金系形成玻璃的临界冷却速度在 10 K/s 以下，这种合金体系的出现，预示着形成更大尺寸的金属玻璃的可能性。在Inoue和Johnson的研究基础上，Fe基、Al基、Cu基和Ti基等可形成块体金属玻璃的合金体系也相继被研发出。

1.2 Cu基非晶的发展

1995年美国加州理工大学的Lin等首先制得Cu47Ni8Ti34Zr11非晶合金，合金的临界尺寸达到3mm，这是首次报道的铜基块状非晶，其复杂的化学成分提高了非晶形成能力。之后日本东京大学的Inoue小组开发了Cu2Zr(Hf)2Ti合金系列。近年来，日本东北大学的Inoue和美国加州理工大学的William Johnson等人相继开发出了工程应用背景更广阔的Cu基块状非晶合金。该合金具有超高强度和一定的延展性，其拉伸断裂强度范围约为2000～2500MPa，延伸率为2%以上，这些特性是连玻璃形成能力最好的Zr基非晶合金也无法比拟的[8]。正是因为Cu基块状非晶合金具有较强的玻璃形成能力、相对低的成本和优异的力学性能，使得Cu 基块状非晶有可能作为一种新型的结构材料，而引起人们广泛的关注。

1.3 CuZr二元非晶发展概述

早在20 世纪70 年代末，国内外学者就依据Davis判据对金属-类金属的非晶体系进行了研究，当时学者们研究的合金系主要有Cu2Si系、Cu2Ge系以及Cu2As系。20世纪80年代初，材料工作者开始研究Cu基金属-金属系非晶，这一类型的合金系有Cu50Ti50和Cu50Zr50等[9]。进入20世纪80年代中期，通过对Cu57Zr43非晶态合金和其液态金属结构进行比较[10]，人们发现非晶态合金的微观结构与液态金属结构的不同，这一发现为非晶态合金的理论发展与完善做出了巨大贡献。但限于当时的条件，非晶合金只能生产带、丝、薄片及粉末形状，使非晶合金的应用范围受到限制。20世纪90年代，随着人们对非晶认识的不断深入，发现多元合金具有更大的非晶形成能力。2005年中科院物理所极端条件物理重点实验室的张博、汤美波等人研究的高强度塑性CuZr[11]金属玻璃引起了巨大的反响，该文被PRL选做Focus，这是块状非晶领域第一篇被选做Focus的文章。

2. 非晶合金的形成机理

2.1 非晶形成热力学因素

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