[00133570]铁钪纳米玻璃的结构和性能研究

传统金属玻璃的原子堆积密度较均匀,一般认为不存在低密度界面,而通过将纳米非晶粉末压制成块体的办法制备的纳米玻璃,在纳米尺度范围内会存在较大的密度起伏,即存在大量的低密度界面。由于这些界面的存在,纳米玻璃表现出了不同于传统金属玻璃的磁学、力学及热力学等各种性能。比如Fe90Sc10的非晶条带在室温下是顺磁性的,而同成分的纳米玻璃在室温下却是铁磁性的。由于纳米玻璃的界面尺寸很小且原子无序,因此对纳米玻璃的结构进行表征存在一定的难度,对结构相关的性能研究也不够充分。由于纳米玻璃是有非晶粉末压制而成,所以非晶粉末的一些结构特征会“遗传”给纳米玻璃。因此本项目独辟蹊径,从原始纳米非晶粉末出发,研究了铁钪纳米非晶粉末的结构以及相应的纳米玻璃的结构,并研究了铁钪纳米玻璃的结构稳定性、磁性及低温比热,取得了以下几点成果。 1 铁钪纳米非晶粉末存在成分偏析现象,且偏析行为跟纳米非晶粉末的粒径和原子比例有关。偏析程度随着粒径减小逐渐减小。钪元素占比多的,钪容易偏析到表面壳层,而随着铁元素逐渐增多,最后会出现铁元素偏析到表面壳层。对成分偏析进行了热力学分析,相关理论可以对其他纳米非晶粉末的成分偏析行为进行预测。 2 铁钪纳米非晶粉末的表面壳层电子密度和堆积密度都低于内部。表面壳层的电子密度低于内部,主要是由于原子的堆积密度引起的,而不是由成分偏析引起的,而表面壳层的堆积密度低于内部,也不是由于成分偏析导致的,而是由非晶形成行为导致的。 3 铁钪纳米玻璃的结构为非均质结构,不但存在成分起伏,而且存在堆积密度起伏。其中界面处含有较多的自由体积,且成分不同于内部核。 4 铁钪纳米玻璃的结构具有一定的稳定性,在150度下退火两小时结构不变化,因此可以认为纳米玻璃的结构在常温下是可以长期稳定存在的。通过研究其晶化过程,提出了结构稳定性的机理。 5 铁占百分之九十原子量的铁钪纳米玻璃的晶化方式主要是以体心立方铁固溶体的形式析出,之后固溶体中过量的钪元素会被排出,最后这些钪会偏析到界面。 6 铁钪纳米玻璃的磁学性能可以通过调节界面结构进行调节。对于铁占百分之九十原子量的铁钪纳米玻璃,通过改变原始纳米非晶粉末粒径的方式,发现其居里温度可以从200 K左右调节到室温以上。居里温度的变化跟界面的体积分数和成分密切相关,提出了可能的变化机理。 7 对铁钪纳米玻璃的低温比热进行研究,发现其低温比热跟同成分的常规非晶条带相比出现了很大不同,其不同的原因是由于铁钪纳米玻璃特殊的结构导致的。 总之,本项目提出了纳米玻璃的一种新结构模型,这种结构模型是目前纳米玻璃领域最优的结构模型。对纳米玻璃的热稳定性、磁学性能和低温比热进行研究,发现了所有的实验现象都和结构模型是吻合的,从而也证实了这种模型的可靠性。