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非混溶材料Cu-Ta和Al-Pb合金结构与性质的研究及分子动力学模拟

作　者: 杨宁
导　师: 孙勇
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料学
关键词: 非混溶合金 短程序 Cu-Ta合金 Al-Pb合金 分子动力学模拟
分类号: TG146.11
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


非混溶合金材料有着一般材料所没有的特殊性能,非混溶合金体系二组元在物理性能及化学性能上极具互补性,二者的有效结合所形成的材料具有优异的性能,研究非混溶合金材料的结构有利于深入理解非混溶合金材料的各种性能,对新材料的开发有重要的意义。本论文在实验的基础上,采用分子动力学原理,结合Materials Explorer软件对非混溶合金材料Cu-Ta合金、Al-Pb合金进行了较深入的理论研究,系统的研究了Cu-Ta非晶合金的短程序结构,探讨了短程序结构随着温度的演化以及与成分的关系,研究了合金的动力学和热力学性质,以及合金的机械性能等,从合金结构上揭示合金性能变化的科学本质。模拟了Al-Pb合金在液态下的短程序结构,得到合金液态结构对固态结构的影响规律,从原子层次上解释Al-Pb合金的分离机理。具体研究内容如下：本文研究了Cu-Ta非晶合金制备工艺对合金结构和性能的影响,研究结果表明,同一组合的Cu-Ta靶材所制得合金膜的致密平整性和溅射功率有很大的关系,溅射功率越大,合金膜致密平整性越好；随着溅射功率增加,合金膜结构中钽含量越来越高,其硬度和弹性模量也越来越大。探讨了Cu-Ta合金中不同组成对薄膜结构的影响,研究结果显示,Cu-Ta非混溶合金中随着Ta含量的变化合金结构也发生变化,当合金中铜和钽的比例接近为1：1时,合金熵增最大,铜和钽混合的最均匀,其△G=△H-T△S相对最低,该成分合金在不同成分非溶混Cu-Ta体系中最稳定。研究了Cu-Ta非晶合金薄膜的硬度和弹性模量随合金成分的变化规律。实验结果显示Cu-Ta非晶合金的硬度和弹性模量随着钽含量的增加而增加。模拟结果显示合金键合强度随着合金中Ta含量的增加逐渐增加,因此合金的弹性模量随着Ta含量的增加逐渐增加,模拟结果与实验结果相符。模拟了Cu50Ta50二元非晶合金中的短程序结构,结果表明,在该合金中,存在两种短程序团簇,一种是以Ta原子为中心、平均配位数为15.6的团簇,另一种是以Cu原子为中心、平均配位数为12.5的团簇。研究了Cu50Ta50在300K的偏双体分布函数曲线,结果表明异类原子对之间的相互作用要强于同类原子对。模拟了Cu50Ta50中Voronoi多面体和配位数的分布情况,结果表明多面体配位数为12,13的占据比例最高,分别为28.5%和25.5%,说明该非晶体系的短程有序结构主要以二十面体团簇为主。Cu50Ta50合金中原子短程序结构随温度的变化关系表明,随着温度的降低正二十面体指数和畸变二十面体指数含量越来越高,说明Cu50Ta50合金在降温过程中非晶形成能力越来越强。模拟了Cu50Ta50中原子的扩散随温度的变化规律,研究表明随着温度的降低原子的扩散能力越来越小,到达300K时原子扩散能力最低,合金达到稳定状态。合金中Cu原子比Ta原子扩散的快。模拟了合金结构随成分的变化规律。通过模拟Cu-Ta合金的偏双体分布函数曲线,比较了Cu-Cu键、Cu-Ta键和Ta-Ta键在不同成分Cu-Ta合金中的变化趋势,结果显示第一近邻壳层内Cu-Cu键、Cu-Ta键和Ta-Ta键的键长随着合金中Ta含量的增加逐渐减少,Cu-Ta合金随Ta含量的增加原子堆垛越来越紧密。研究了Cu-Ta合金体系中短程序密堆结构与不同成分合金的关系,结果显示当Cu含量为50%时,合金结构最稳定。对Cu-Ta合金原子扩散性质研究显示,在所研究的五种合金中,Cu50Ta50合金的动力学稳定性最强。对Cu-Ta合金热力学性质研究显示,当Ta含量为50%时,合金的形成焓最大,扩散系数最小,即合金的扩散能力最弱。研究铅含量对Al-Pb合金组织结构的影响,模拟液态Al-Pb合金在2000K下的偏双体分布函数曲线及化学短程序参数,结果表明同类原子间的相互作用比异类原子间的相互作用强,同类原子间易于形成团簇。模拟了液态Al-Pb合金中团簇结构随成分的演变规律,结果显示在液态Al-Pb合金中,主要是以Al-Al、Pb-Pb团簇为主,并且存在分离现象。模拟了Al-Pb合金中原子的分布和团簇情况随时间的变化规律,结果显示随着时间的增加,Pb原子形成的团簇逐渐增大,Al-Pb合金在液态下形成液相不互溶区,Al原子和Pb原子分别形成各自的团簇,这是导致其在固态时元素各自发生聚集的原因。模拟了Al-Pb合金的原子扩散性质,结果显示随着合金中铅含量的增加Al、Pb原子扩散能力减弱,合金中Al原子比Pb原子扩散要快。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章 绪论  13-34
  1.1 非混溶合金材料  13-21
    1.1.1 非混溶合金材料的概念  13-15
    1.1.2 非混溶合金材料的制备方法  15
    1.1.3 非混溶合金的制备产物  15-20
    1.1.4 非混溶合金的性能  20-21
  1.2 非混溶Cu-Ta非晶合金的研究现状  21-26
    1.2.1 Cu-Ta合金的制备方法  22-23
    1.2.2 Cu-Ta合金的结构特点  23-24
    1.2.3 Cu-Ta合金的模拟方法  24-25
    1.2.4 Cu-Ta合金的性能  25-26
  1.3 非混溶Al-Pb合金的研究现状  26-31
    1.3.1 Al-Pb合金的理论研究  26-27
    1.3.2 Al-Pb合金的制备  27-28
    1.3.3 Al-Pb合金的结构特点  28-29
    1.3.4 Al-Pb合金的模拟研究  29-30
    1.3.5 Al-Pb合金的性能  30-31
  1.4 非混溶合金的液体微观结构  31-32
  1.5 论文的研究意义  32
  1.6 论文的研究内容  32-34
第二章 研究方法  34-51
  2.1 实验部分  34-36
    2.1.1 样品制备  34-35
    2.1.2 样品结构和性能测量与表征  35-36
  2.2 分子动力学模拟方法  36-49
    2.2.1 分子动力学的基本方程  37-38
    2.2.2 Hamilton运动方程的求解  38-39
    2.2.3 边界条件  39-40
    2.2.4 温度与压力的控制方法  40-42
    2.2.5 势函数  42-47
    2.2.6 本文Cu-Ta合金采用的势函数  47-49
  2.3 计算分析的物理量  49-51
    2.3.1 径向分布函数(Radial distribution function,RDF)和双体分布函数  49-50
    2.3.2 均方位移函数(Mean square displacement,MSD)  50-51
第三章 Cu-Ta合金的制各工艺对结构和性能的影响  51-61
  3.1 Cu-Ta非晶合金膜的形成  51
  3.2 溅射功率对Cu-Ta合金膜形貌及成分分布的影响  51-53
  3.3 溅射功率对薄膜硬度和弹性模量的影响  53-55
  3.4 不同合金成分对薄膜结构的影响  55-57
  3.5 不同合金成分对薄膜硬度和弹性模量的影响  57-58
  3.6 沉积时间对Cu-Ta合金膜形貌的影响  58-59
  3.7 本章小结  59-61
第四章 Cu_(50)Ta_(50)合金的短程序结构及原子的自扩散机制  61-75
  4.1 模拟方法  61
  4.2 Cu_(50)Ta_(50)合金的短程序结构  61-66
    4.2.1 双体分布函数  61-63
    4.2.2 合金中的短程序结构  63-66
  4.3 Cu_(50)Ta_(50)合金结构与温度变化的关系  66-70
  4.4 Cu_(50)Ta_(50)合金原子自扩散性质  70-74
  4.5 本章小结  74-75
第五章 Cu-Ta合金动力学、热力学性质与成分的关系  75-88
  5.1 Cu-Ta合金结构与成分的关系  75-82
    5.1.1 模拟方法  75
    5.1.2 Cu-Ta合金结构与成分变化的关系  75-82
  5.2 Cu-Ta合金原子自扩散性质与成分的关系  82-84
  5.3 合金热力学性质的模拟  84-86
    5.3.1 模拟方法  84-85
    5.3.2 Cu-Ta合金热力学性质的模拟  85-86
  5.4 Cu-Ta合金弹性模量的讨论  86
  5.5 本章小结  86-88
第六章 Al-Pb非混溶合金的结构与分子动力学模拟  88-110
  6.1 铅含量对Al-Pb合金组织结构的影响  88-92
  6.2 液态Al-Pb非混溶合金中的团簇结构及演变  92-107
    6.2.1 计算方法  92
    6.2.2 Al-Pb势函数  92-95
    6.2.3 Al-Pb合金双体分布函数的计算  95-99
    6.2.4 Voronoi多面体和配位数  99-100
    6.2.5 构型捕捉  100-102
    6.2.6 Al-Pb合金结构与时间的关系  102-105
    6.2.7 Al-Pb合金的原子自扩散性质  105-107
    6.2.8 Al-Pb合金与Cu-Ta合金的比较  107
  6.3 本章小结  107-110
第七章 结论与展望  110-112
  7.1 结论  110-111
  7.2 本论文创新点  111
  7.3 展望  111-112
致谢  112-113
参考文献  113-121
附录：攻读博士期间参加的主要科研项目及发表的论文  121

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 有色金属及其合金 > 重有色金属及其合金 > 铜
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