云计算-液态和非晶态AI94-xNi6Lax合金结构的从头计算分子动力学模拟.pdf资源-CSDN文库

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第一章

绪沦

第一章

绪论

１．１研究背景

近些年来，随着能源危机和资源匮乏的加剧，人类对材料和器件性能的要求越来

越高，‘同时也对新型材料的需求变褥更加迫切，如能量转化材料、超导材料、稀磁半

导体材料和纳米材料等。对这些新型功能材料的研究不但可以使器件的制备和性能得

以改进，也使许多新的学科领域得以发展，如纳米科技、固体离子学、自旋电子学等。

非晶金属材料（金属玻璃）是新兴的研究领域，起始于２０世纪６０年代。１９６０年，美

国加州理工学院的皮·杜威等人［１］采用急速冷却法制备出第一片只有２０微米厚的

·Ａｕ７５ｓｈ５非晶合金（通常称为金属玻璃）薄片，标志着没有晶界的新型金属材料的诞生。

金属玻璃具有相对简单的结构（近似无规则密堆），以及无方向的金属键合作用，是研

究非晶态材料的理想模型材料。金属玻璃的特殊结构不同于常规的晶态材料，导致金

属玻璃的物理和化学性能有许多新特点。与同质的晶态材料相比，金属玻璃具有许多

优异的力学性能，是潜力极大的工程结构材料。高弹性极限、高屈服强度和高断裂韧

性使金属玻璃特别适合作为存储高密度能量的部件，例如高性能汽车弹簧、高尔夫球

杆等。再如高硬度、耐磨擦、耐腐蚀、低硬化等特性，使得金属玻璃在运动器材、医

疗器械等许多行业有广泛的应用前景［２－４］。美国航空航天局已确定将大块非晶合金

应用于空间探索。大块金属玻璃具有绝热剪切敏感牲、高强度和非常好的弹性，成为

替代贫钠合金制造穿甲弹的新材料。

最初的金属玻璃通常足：元合金，制备时要求冷却率高达１０ｅ１（／ｓ，特征尺寸却只

有微米量级，极大限制了金属玻璃的应用价值。受尺寸的限制，金属玻璃在一些领域

还不能大量应用，长期以来人们也一直渴望制备出大尺寸的三维块状金属玻璃材料，

并发现了以Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ为基底的多种非晶合金，但足要求的冷却速度高于１０５

Ｋ／ｓ，产

品厚度小于５０微米［５］。１９７４年Ｃｈｅｒｔ［６］采用吸铸法制备出毫米量级的非晶合金棒，熔

体冷却速度在１０３Ｋ／ｓ，如果把毫米量级作为块体尺度的话，这是块状金属玻璃研究的

重大突破和新的开端。金属玻璃的发展日新月异，在纳米技术迅猛发展的新世纪，目

．前已是不可缺少的微型组装材料，随着块状合金制备尺寸的不断加大，成本不断降低，

应用领域将会不断扩大［４］。

．

１９９０年以来，Ｉｎｏｕｅ及其合作者先后［７－１２］研究了稀土基、Ｍｇ基、ｚｒ基等金属玻

璃块状材料的形成能力，制备方法和晶化过程，研制出Ｌａ－Ａ１－Ｎｉ、Ｌａ－Ａ１一Ｃｕ、

Ｌａ－Ａ１．Ｃｕ－Ｎｉ、Ｍｇ．Ｙ．Ｃｕ－Ｎｉ、Ｍｇ．Ｙ－Ｎｉ、Ｚｒ－Ｃｕ－Ｎｉ．Ａ１等合金体系块状金属玻璃材料，

证明块状金属玻璃不局限于几种特殊元素，而具有普遍的物理意义。１９９３年Ｐｅｋｅｒ和

Ｊｏｈｎｓｏｎ［１３］研究和制备了Ｚｒ．Ｔｉ－Ｃｕ－Ｎｉ．Ｂｅ系列合金，要求的冷却率仅为１Ｋ／ｓ，过冷区

第一章

绪论

域高达１３５Ｋ。ＨａｒｄｙＴＩｌＪｏｈｎｓｏｎ发现Ｚｒ４１．２Ｔｉｌ３．８Ｃｕｕ．５Ｎｉｌ０．０Ｂｅ２２．５（Ｖｉｔｒｅｌｏｒｙｌ）合金具有最大

的过冷液态区ＡＴ（ＡＴ＝Ｔｘ．Ｔｇ，Ｔｘ为金属玻璃晶化温度，Ｔｇ为玻璃化温度），具有最强的

金属玻璃形成能力，已被成功制各成直径达到５．１０厘米的金属玻璃杆［１４３。在Ｉｎｏｕｅ

和Ｊｏｈｎｓｏｎ的研究工作基础上，Ｆｅ基、Ａｌ基、Ｃｕ基、Ｐｔ基等可形成块状金属玻璃的合

．．．金体系楣继出现。

近些年来，非晶合金基复合材料的研究引起人们的密切关注，Ｉｎｏｕｅ［１５一１６］提出

在具有多极晶化反应的块状金属玻璃中，通过部分晶化处理，在非晶基础上析出纳米

尺度的粒子，从而改善材料的性能。例如在Ｚｒ基非晶合金ｄＦ办１１／Ｘ．Ａｇ、Ｔｉ、Ｐｄ等元索形

成非晶合金，经过部分晶化处理后，晶体析出相为纳米尺度的粒子弥教到非晶相基础

‘

上，通常称为纳米结构块状非晶合金。非晶复合材料的出现标志着金属玻璃材料向实

际应用迈进了新的一步。

尽管非晶态合金发展如此迅速，但人们对它的了解还远远不够。对液态和非晶态

合金结构的研究也是凝聚态物理中比较有挑战性而又十分活跃的～支。液态原予处于

无规则的热运动中，没有固定的平衡位置，对其结构的研究没法采用描述固体晶体那

样的方式，因而只能采用统计物理学的方法。对液体的研究，主要是研究其微观结构、

．动力学行为，了解其变化规律，更进一步了解液固转变、材料制备、晶体生长的机理．

等。由于非晶态物质在实验上可以通过淬冷法制取，因此研究液态、非晶态的结构，

以及二者相互转变的过程成为凝聚态物理研究的一个重要方面。在实验上，利用现代

高水平的仪器，

如Ｘ光电子谱（ＸＰＳ）

、紫外光电子谱（ＵＰＳ）、’中子衍射、低能

电子衍射（ＬＥＥＤ）、Ｘ光衍射仪：原子力显微镜（ＡＦＭ）、隧道扫描电镜（ＳＴＭ）

．‘

和Ｘ射线吸收精细结构（Ｘ盯Ｓ）等，可以获得液态和非晶态合金的部分微观结构信

息。但实验得到的数据不能全面地反映合金的结构与性质，且每种仪器只能提供系统

某一个方面的性质。多数实验数据只给出合金总的结构因子和对关联函数，而详细描

述液态和非晶态合金结构的局域结构因子和局域对关联函数无法由单…＿实验给出，而

非晶态合金中的某些微观结构信息用总对相关函数很难得到。由于实验条件的限制，

实验结果有时还会出现不同程度的测量误差，这些误差往往会导致错误的结论，从而

就会出现用相同或者不同的仪器得到的结果有时会不一致。作为实验的补充，量予化

学可以在微观领域提供更详细的信息，并且量子化学计算结果只与计算方法和模型有

关，数据有很好的可重复性，有些方法还可以研究一些极端条件下（如高温，高真空，

淬冷）体系的性质，这都是实验无法比拟的。另外，对金属玻璃而言，其机械性能源

于其独特的微观结构，但是物质微观结构的演变很难由实验获得，对其微观结构物理

￥Ｌ￥ｓｌ的探索也从来没有停止，计算机模拟技术成为了解这些信息的有效手段。目前模

拟非晶态合金结构性质的手段主要有Ｍｏｎｔｅ

Ｃａｒｌｏ方法和分子动力学方法。

Ｍｏｎｔｅ

Ｃａｒｌｏ方法借助物理和化学过程中内在的随机特征，用简单或近似的数学

第一章

绪论

模型，基于随机数，进行数值运算统计求和而提供准确的性质轮廓。应该说，Ｍｏｎｔｅ

Ｃａｒｌｏ模拟方法相当于一种计算机实验，它不仅可以根据符合实际的模型模拟真实的

体系，而且可以随意改变模型的形式，以及改变模型中的任何参数而模拟实际上不存

在或者虚构的体系。但是Ｍｏｎｔｅ

Ｃａｒｌｏ方法并不模拟微观粒子的实际运动过程，而且一

般也不能提供电子结构方面的信息。模拟液态合金淬冷过程更广泛使用的方法是分子

动力学方法。

从本世纪５０年代，Ａｌｄｅｒ和Ｗａｉｎｗｒｉｇｈｔ［７０］率先开展了液态体系结晶的分子动力学

模拟这一工作以来，在金属的熔化、结晶方面的模拟已有许多报道。主要的原因是：

对于平衡系统，可以在一个分子动力学观察内作时间平均来计算一个物理量的统计平

均值。对一个非平衡系统过程，只要是发生在一个分子动力学观察时间内（１．１０ｐｓ）

的物理现象，也可以用分子动力学计算进行直接模拟，特别是许多与原予有关的微观

细节，在实验中无法获得而在计算机模拟中可以方便的得到，提供～个观测体系中单

个原子微观运动的窗口。尽管如此，但这方面的进展还是相当缓慢。主要有两方面的

原因：一是受过去几十年计算机发展的制约，使得我们不能大量增加模拟粒子总数，使

其更接近真实系统：二是受原子间相互作用势发展的制约，到目前为止，人们不能对每

种液态体系都给出明确的解析势。原子问相互作用势是分子动力学模拟的基础，长久

以来，人们一直通过经验模型或者力场方法来计算原子间的相互作用势，近年来发展

的经验、半经验的多体势如镶嵌原子势（ＥＡＭ）、紧束缚势（ＴＢ）、Ｆｉｎｎｉｓ．Ｓｉｎｃｌａｉｒ势

（ＦＳ）等在描绘简单液体和固体以及高分子和生物体系时获得了巨大的成功。但是，

绝大多数都是传统的分子动力学模拟，即用势函数形式简化复杂体系中原予问的相互

作用，因而必然存在很大的缺陷。首先，在力场中电荷被作为固定的参数，很难捕述

电子的极化效应，也无法提供微观层次电子的结构信息。其次，力场～般是先假定原

子间的相互作用方式，因此很难描述化学键的断裂或者形成过程。虽然理论化学家通

过引进参数想到了种种方法来克服这些缺陷，但是这些参数都不具有普适性，对于新

的体系新的反应都必须重新设定参数，并且模拟结果的好坏完全取决于势函数质量的

。好坏，带有很大的经验性。

近年来，随着计算机与计算技术的迅速发展，从头算分子动力学方法逐渐发展

起来．这种基于第一性原理的模拟过程主要是：首先，对于一个体系给定的离子（原

子）的空间排布（构型），运用Ｋｏｌｍ－Ｓｈａｍ定域密度泛函叠代求解自洽的体系总的势，

以及和势对应的总电子能量：其次利用Ｈｅｌｌｍａｎｎ．Ｆｅｙｎｍａｎ定理得到作用在每个离子

（原子）上的力；然后，以合适的时间步长运动，利用牛顿运动方程对离子的位置坐标

进行数值积分，得到新的离予构型．又从这一构型开始，重复以上过程．如此反复

循环，直到体系在特定的温度下趋于动态平衡．至此，完成了被模拟体系在一定温

度下的ＮＴＶ过程．然后再让粒子运动若干步，统计分析其各种热力学与动力学函数．

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