《非晶材料形成与热稳定性中的热、动力学关联性研究》

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科学技术领域:该项目属于材料科学领域,主要涉及材料学、材料物理、材料物理与化学等学科。立项背景:非晶材料包括诸如氧化物玻璃、金属玻璃、非晶硅和锗、非晶药物和非晶塑料等一系列普遍使用的物质。这类材料不同于晶态材料,原子排列具有无序性,但在某些方面却表现出更加优异的性能,因而得到广泛应用。例如,在能源领域,金属铁基非晶合金具有良好的软磁性能,已被用于替代传统的硅钢、坡莫合金制作成变压器铁芯,可大幅降低变压器损耗。但是,非晶材料的应用依然还存在很多亟待解决的问题。其中,非晶材料的形成与非晶材料的热稳定性均制约着其实际应用,因而一直是该领域的难点与热点问题。一方面,不同的材料之间非晶形成能力差别非常大,迄今为止决定非晶形成的基本规律尚未建立。此外,非晶材料的结构与性能均随温度、压力和时间发生演化,如何快捷有效地预测、评估非晶热稳定性也是有待解决的问题。主要研究内容:制约非晶形成与热稳定性的因素主要涉及两个方面,其一是热力学,其二是动力学。该项目研究内容是围绕非晶材料形成与非晶热稳定性中的动力学与热力学关联展开的。为此,选择金属合金、半导体和小分子非晶形成体系为研究对象,开展了三方面的工作:非晶材料在低温与高压下的弛豫与相变基本特征;非晶弛豫动力学与材料热力学参量之间的关联,探讨非晶材料的热稳定性;基于动力学与热力学参量建立非晶形成基本理论。科学发现点:发现了非晶材料相变与弛豫动力学的一系列基本特征,提出了弛豫动力学随温度的演变规律;建立了非晶材料动力学参量与热力学参量之间的定量关联;发现了一个有关重要动力学参量即强弱性参数的基本规律:不同混合热的混合体系中该参数随组分的变化均表现出负偏离、与混合热的正负及大小无直接关系;重新解释了液-固吉布斯自由能差,确定了强弱性参数与该参量的定量关系;基于材料热力学熔化熵、动力学强弱性参数与材料特征温度,建立了非晶形成的定量判据。科学价值:研究成果为预测和有效评估非晶材料的热稳定性提供了依据;为预测材料动力学强弱性参数提供了更直接、更便捷的方法;为从动力学角度认识非晶中的团簇结构提供了参考;为鉴别非晶材料中的弛豫类型提供了依据;发展了非晶形成热力学,为指导非晶合金的成分设计提供了一个新思路;为预测材料的非晶形成提供了理论;为深入理解玻璃转变的物理本质提供了一个新思路。同行引用及评价:研究成果在该领域重要学术刊物(如Phys.Rev.Lett.、Appl.Phys.Lett.、Phys.Rev.B、J.Chem.Phys.、J.Phys.Chem.B、Mater.Sci.Eng.A)上发表了论文。其中20篇提交论文被国内外43个课题组引用292次,包括高影响刊物如Nature子刊(如Nat.Mater.)、综述文章以及著作,多个知名课题组对课题组的结果进行了介绍与评价。项目开展期间,完成人主持了国家自然科学基金重点项目和面上项目、教育部重点项目、河北省自然科学基金杰出青年基金等项目,多次在国际学术会议上做邀请报告,并组建了一支围绕非晶材料开展研究的高水平科研团队。

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