论文题目: 合金相形成的热力学、分子动力学模拟及离子束混合研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料科学与工程
作者: 张瑞丰
导师: 柳百新
关键词: 离子束混合,亚稳相,理论,第一性原理计算,分子动力学模拟
文献来源: 清华大学
发表年度: 2005
论文摘要: 过去,利用非平衡手段制备的亚稳合金相显示出优良的电学、磁学、光学和力学性能等,因而具有广泛的应用前景。对于生成热为负的二元金属系统,报道的亚稳合金的理论及实验研究已较为全面,而对于互不固溶系统,无论是理论研究,还是实验研究都还很有限。本论文旨在从理论和实验两个角度主要探讨互不固溶二元金属系统亚稳合金相的形成规律。基于Miedema热力学理论,我们首先提出了一个计算二元过渡族金属合金标准生成焓改进模型,一种计算二元过渡族金属合金结构生成焓的计算方法和一个揭示Laves相形成规律的热力学判据。其次,我们开发了一个计算二元金属系统自由能和金属多层膜界面能的热力学软件。在原子尺度模型理论研究方面,本论文借助于第一性原理计算和分子动力学模拟来研究亚稳合金相形成规律。为此,本论文选择了五个生成热为正的W基二元fcc-bcc和hcp-bcc金属系统,即:Cu-W、Ag-W、Au-W、Sc-W和Y-W系统,和一个生成热为负的Co-Nb系统来研究其亚稳相选择和非晶形成能力。首先利用第一性原理计算的数据来构建六个系统的嵌入原子多体势。特别是,我们提出了一套构建二元hcp-bcc金属系统的多体势函数和一种有效的拟合方法。然后借助分子动力学模拟来研究Cu-W、Ag-W、Au-W系统的亚稳相选择规律,和Co-Nb、Sc-W和Y-W系统的非晶形成能力。在多层膜离子束混合实验研究方面,本论文选择了二元Cu-W、Ag-W、Au-W、Sc-W和Y-W系统。在这五个系统中不仅形成了亚稳fcc和bcc过饱和固溶体,而且在Ag-W、Au-W、Sc-W和Y-W系统中得到了非晶合金,从而证实了理论计算和模拟的结果。另外,在Y-W系统中首次发现双相非晶及相应的二维分形形貌,并通过原子尺度模拟研究了其形成机理。
论文目录:
第1章 引言
1.1 二元金属系统中亚稳合金相的实验研究进展
1.1.1 亚稳合金相的分类
1.1.2 离子束混合
1.1.3 固态反应
1.2 二元金属系统中亚稳合金相的理论研究进展
1.2.1 宏观热力学模型
1.2.2 原子尺度模拟
1.2.3 基于电子结构的计算
1.3 本论文的研究意义和思路
第2章 基于电子结构的计算和原子尺度模拟方法
2.1 第一性原理计算
2.1.1 第一性原理计算方法概述
2.1.2 本论文采用的第一性原理计算方法
2.2 分子动力学模拟
2.2.1 分子动力学模拟方法概述
2.2.2 本论文采用的分子动力学模拟方法
2.2.3 结构表征与分析方法
第3章 实验研究方法
3.1 金属纳米多层膜设计
3.2 离子束混合实验
3.3 分析方法
第4章 Miedema 热力学模型与软件开发
4.1 Miedema 宏观原子模型
4.2 Alonso 的计算方法
4.3 亚稳相自由能和金属多层膜界面能的计算方法
4.4 基于Miedema 模型的热力学软件
4.5 本章小结
第5章 二元金属系统合金相形成的热力学模型
5.1 二元过渡族金属合金标准生成焓改进模型
5.1.1 热力学研究背景
5.1.2 改进模型的建立
5.1.3 改进模型的验证与应用
5.2 包含磁性能的结构生成焓计算方法
5.2.1 热力学研究背景
5.2.2 热力学模型的建立
5.2.3 热力学模型的验证与应用
5.3 二元过渡族金属Laves 相形成的热力学判据
5.3.1 热力学研究背景
5.3.2 热力学模型的建立
5.3.3 热力学模型的验证与应用
5.4 本章小结
第6章 fcc-bcc 合金系统嵌入原子多体势的建立与结构稳定性
6.1 嵌入原子多体势的理论基础和基本形式
6.1.1 多体势研究背景与理论基础
6.1.2 fcc-bcc 合金系统嵌入原子多体势的基本形式
6.2 Cu(Ag, Au)-W 等系统的嵌入原子多体势的建立
6.2.1 Cu-W 多体势参数的拟合与校验
6.2.2 Ag-W 多体势参数的拟合与校验
6.2.3 Au-W 多体势参数的拟合与校验
6.3 Cu(Ag, Au)-W 等系统的亚稳晶相的结构稳定性
6.3.1 Cu-W 系统亚稳合金相的结构稳定性
6.3.2 Ag-W 系统亚稳合金相的结构稳定性
6.3.3 Au-W 系统亚稳合金相的结构稳定性
6.4 本章小结
第7章 hcp-bcc 合金系统嵌入原子多体势的建立与结构稳定性
7.1 hcp-bcc 合金系统嵌入原子多体势模型
7.1.1 hcp-bcc 合金系统嵌入原子多体势的研究背景
7.1.2 hcp-bcc 合金系统嵌入原子多体势模型
7.2 Co-Nb, Sc(Y)-W 等系统的嵌入原子多体势的建立
7.2.1 Co-Nb 系统多体势参数的拟合与校验
7.2.2 Sc-W 系统多体势参数的拟合与校验
7.2.3 Y-W 系统多体势参数的拟合与校验
7.3 Co-Nb, Sc(Y)-W 等系统的非晶形成能力
7.3.1 非晶形成能力的研究进展与理论基础
7.3.2 Co-Nb 系统非晶形成能力的预测
7.3.3 Sc-W 系统非晶形成能力的预测
7.3.4 Y-W 系统非晶形成能力的预测
7.4 本章小结
第8章 二元互不固溶金属系统亚稳合金相的实验研究
8.1 Cu-W 系统亚稳合金相的实验研究
8.1.1 实验过程
8.1.2 离子束混合过程中的结构演变
8.1.3 对实验结果的热力学和动力学讨论
8.2 Au-W 系统亚稳合金相的实验研究
8.2.1 实验过程
8.2.2 离子束混合过程中的结构演变
8.2.3 对实验结果的热力学和动力学讨论
8.3 Ag-W 系统亚稳合金相的实验研究
8.3.1 实验过程
8.3.2 离子束混合过程中的结构演变
8.3.3 对实验结果的热力学和动力学讨论
8.4 Sc-W 系统亚稳合金相的实验研究
8.4.1 实验过程
8.4.2 离子束混合过程中的结构演变
8.4.3 对实验结果的热力学和动力学讨论
8.5 Y-W 系统亚稳合金相的实验研究
8.5.1 实验过程
8.5.2 离子束混合过程中的结构演变
8.5.3 对实验结果的热力学和动力学讨论
8.6 本章小结
结论
参考文献
致谢
声明
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
个人简历
以第一作者在国际学术期刊上发表的学术论文
发布时间: 2006-06-29
参考文献
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