纳米材料
1 纳米晶粒模型
2 液态金属电磁特性的测量
3 过冷甩带（未成功）
4 计划中的工作
1 液态金属微观结构的纳米晶粒模型
1.1 液态金属的短程有序结构
1.2 机械合金化制备的纳米非晶颗粒
1.3 液态金属纳米晶粒模型的建立
1.4 液态金属纳米晶粒模型的应用
1.5 结论
1.6 需做的工作
1.1 液态金属的短程有序结构 (1)
自由体积模型
液体空穴模型
游动原子团簇模型
准多晶模型
硬球模型共同观点：
液态金属的微观结构是短程有序的
1.1 液态金属的短程有序结构 (2)
1 2 3 4 5 6 7
Sinθ/λ (nm-1)
I
1 2 3 4 5 6
Sinθ/λ (nm-1)
I
图 1金属的液态和固态 X射线衍射强度曲线
a Pb的液态和固态 X射线衍射强度； b Bi的液态和固态的 X射线衍射强度
a b
1.1 液态金属的短程有序结构 (3)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
r / nm r / nm
ba
图 2 金属的液态和固态的径向分布函数
a Pb的液态和固态的径向分布函数； b Bi的液态和固态的径向分布函数。
RDF RDF
1.2 机械合金化制备的纳米非晶颗粒 (1)
50 51 52 53 54 55 56
2θ /deg.
图 3 晶粒尺寸随着球磨时间的变化
Inten
sity
/a.u.
图 4 机械合金化非晶形成的过程
1.2 机械合金化制备的纳米非晶颗粒 (2)
非晶形成机理
过饱和溶质造成了晶格的畸变；
颗粒的尺寸达到一定的临界值（纳米级）时表面原子的晶格发生扭曲，从而形成了非晶态。
特性
非纳米颗粒表面原子晶格的扭曲使这些原子具有很高的能量，即处于不稳定状态。这也是非晶态不稳定的原因。
由此可知
由机械合金化制备的纳米非晶颗粒是具有严重晶格畸变的纳米晶体颗粒。
1.3 液态金属纳米晶粒模型的建立 (1)
对大块非晶 ZrTiNiCuBe合金液态、过冷液态和非晶态结构研究后，得出：此合金液态与非晶态的原子排列相同；
这一点支持了这样的观点：
金属的非晶态是金属液态某一时刻状态的保留。
在过热温度不高时，液态共晶合金中存在着不均匀的微观区域，其尺度为 20nm；
可以推断：
液态金属原子团簇的尺寸为纳米级的，与机械合金化制备的非晶颗粒的尺寸处于相同的数量级。
1.3 液态金属纳米晶粒模型的建立 (2)
可以设想,液态金属的短程有序结构与机械合金化制备的非晶颗粒的结构相类似 ——
▲ 原子团簇尺寸为几十纳米；
▲ 具有某种晶体结构 ;
▲ 存在严重的晶格畸变 ;
▲ 表面原子畸变更加严重。
称其为纳米晶粒模型。
1.3 液态金属纳米晶粒模型的建立 (3)
原子团簇中的畸变在液态金属中存在着热振动和振动中心 (平衡位置 )偏移造成的畸变。以振动中心的偏移造成的畸变为主。
原子团簇的表面原子的畸变大于原子团簇内部原子的畸变。
原子团簇中原子在不同位置上出现的概率随着原子偏离平衡位置距离的增加而降低。
1.3 液态金属纳米晶粒模型的建立 (4)
晶面间距的变化正常点阵的晶面间距的概率最大，偏离正常点阵的晶面间距的概率随偏离距离的增加而减小。
衍射角的变化以正常点阵的衍射峰位最强，其变化规律和与之相对应的晶面间距的变化规律相同。
概率的选择正态分布规律：
22 2/)(e
π2
1)(
xxf
1.3 液态金属纳米晶粒模型的建立 (5)
m
i
tgC
i
tgC
e
PII
i
1 1
)(2
)22(
1
2
[)(
2
1
2
]
22
)(2
)22(
2
2
2
2
tgC
e
P
tgC
i?
)](1[ 2 sDA
(1)
1.3 液态金属纳米晶粒模型的建立 (6)
d
d 22
a r c s i n?
晶格膨胀的处理
(2)
1.4 液态金属纳米晶粒模型的应用 (1)
1.4.1 fcc Cu的 X射线衍射强度图 5 液态 Cu的 X射线衍射强度曲线与由固态
Cu的衍射峰宽化而得的强度曲线的比较。
044.1/2?dd
1300℃
1.4.2 fcc Cu的径向分布函数
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0
5
10
15
20
25
30
r/nm
RD
F
图 6 Cu的径向分布函数
a
b
c
1.4.3 fcc Al的 X射线衍射强度
10 20 30 40 50 60 70 80 90
a
b
I
nt
en
s
i
t
y
/
ar
b.
2? / deg,
Mo K α
图 7 1250℃ 液态 Al的 X射线衍射强度曲线与由 fcc固态 Al
的衍射峰宽化而得的强度曲线的比较 。
1.4.4 bcc Al的 X射线衍射强度
10 20 30 40 50 60 70 80
I
n
t
e
n
s
it
y
/
a
r
b
.
U
2? / d e g,
M o K α
b
a
I
n
t
e
n
s
it
y
/
a
r
b
.
U
α
图 8 1250℃ 液态 Al的 X射线衍射强度曲线与由 bcc固态 Al的
X射线衍射峰宽化而得的强度曲线的比较 。
98.0/2?dd
1.4.5 bcc Al的径向分布函数
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0
5
10
15
20
25
r/nm
RDF
c
b
a
图 9 Al 的径向分布函数
1.4.6 Al65Cu20Fe15准晶合金 X射线衍射强度
10 20 30 40 50 60 70 80 90
c
b
a
M o K?
a
b
r
.
u
.
2? / d e g,
图 10 1400℃ 液态 Al65Cu20Fe15准晶合金的 X射线衍射强度曲线与由其固态 X射线衍射峰宽化而得的强度曲线的比较 。
06.1/2?dd
1.5 结论
说明建立的液态金属的纳米晶粒模型对于 Cu、
Al和准晶 Al65Cu20Fe15合金来说是成立的；
说明液态 Cu的原子团簇的短程有序结构与固态
Cu的结构是相关的，即同为 fcc结构；
Al在熔化过程中发生了结构的变化，由 fcc转变成了 bcc；
准晶 Al65Cu20Fe15合金的液态短程有序结构是二十面体。
1.6 需做的工作
固态下金属某种晶格的 X射线峰的计算。
计算出的液态峰与实验值一致性判断的评估。
2 液态金属电磁特性的测量
2.1 测量仪器的原理图
2.2 液态金属电磁特性的初步测量
2.3 需做的工作
2.1 原理图
1和 12：初级线圈； 4和 9：次级线圈； 3和 10：铁心； 2：样品； 5：
计算机； 6：整流滤波； 7：交流毫伏放大； 8：电阻负载； 11：
参照样品； 13：交流信号发生器。
2.2 液态金属电磁特性的初步测量 (1)
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
-5
-4
-3
-2
-1
0
电压
/ V
温度 / ℃
铸铁
2.2 液态金属电磁特性的初步测量 (2)
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
-1,4
-1,2
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
电压
/ V
温度 / ℃
纯铝
2.3 需做的工作
进一步实验，检验仪器的重复性；
结合 X射线衍射仪，分析液态金属的高过热和深过冷的结构演变；
3 过冷甩带（未完成）
合金,Cu70Ni30
措施：石英管＋包裹玻璃
现象：吹不出来
4 计划中的工作
4.1 Cu70Ni30合金液固两相区的 X射线衍射
4 计划中的工作
4.2 高过热液态 X射线衍射实验，样品选定为：
锑（ Sb）、铅（ Pb）和铋（ Bi）。
样品 熔点 ℃ 沸点 ℃ 液态区 2/3处
Sb 630.5 1380 1130
Pb 327.3 1744 1271
Bi 271.3 ~1560 ~1130
谢谢！
1 纳米晶粒模型
2 液态金属电磁特性的测量
3 过冷甩带（未成功）
4 计划中的工作
1 液态金属微观结构的纳米晶粒模型
1.1 液态金属的短程有序结构
1.2 机械合金化制备的纳米非晶颗粒
1.3 液态金属纳米晶粒模型的建立
1.4 液态金属纳米晶粒模型的应用
1.5 结论
1.6 需做的工作
1.1 液态金属的短程有序结构 (1)
自由体积模型
液体空穴模型
游动原子团簇模型
准多晶模型
硬球模型共同观点：
液态金属的微观结构是短程有序的
1.1 液态金属的短程有序结构 (2)
1 2 3 4 5 6 7
Sinθ/λ (nm-1)
I
1 2 3 4 5 6
Sinθ/λ (nm-1)
I
图 1金属的液态和固态 X射线衍射强度曲线
a Pb的液态和固态 X射线衍射强度； b Bi的液态和固态的 X射线衍射强度
a b
1.1 液态金属的短程有序结构 (3)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
r / nm r / nm
ba
图 2 金属的液态和固态的径向分布函数
a Pb的液态和固态的径向分布函数； b Bi的液态和固态的径向分布函数。
RDF RDF
1.2 机械合金化制备的纳米非晶颗粒 (1)
50 51 52 53 54 55 56
2θ /deg.
图 3 晶粒尺寸随着球磨时间的变化
Inten
sity
/a.u.
图 4 机械合金化非晶形成的过程
1.2 机械合金化制备的纳米非晶颗粒 (2)
非晶形成机理
过饱和溶质造成了晶格的畸变；
颗粒的尺寸达到一定的临界值（纳米级）时表面原子的晶格发生扭曲，从而形成了非晶态。
特性
非纳米颗粒表面原子晶格的扭曲使这些原子具有很高的能量，即处于不稳定状态。这也是非晶态不稳定的原因。
由此可知
由机械合金化制备的纳米非晶颗粒是具有严重晶格畸变的纳米晶体颗粒。
1.3 液态金属纳米晶粒模型的建立 (1)
对大块非晶 ZrTiNiCuBe合金液态、过冷液态和非晶态结构研究后，得出：此合金液态与非晶态的原子排列相同；
这一点支持了这样的观点：
金属的非晶态是金属液态某一时刻状态的保留。
在过热温度不高时，液态共晶合金中存在着不均匀的微观区域，其尺度为 20nm；
可以推断：
液态金属原子团簇的尺寸为纳米级的，与机械合金化制备的非晶颗粒的尺寸处于相同的数量级。
1.3 液态金属纳米晶粒模型的建立 (2)
可以设想,液态金属的短程有序结构与机械合金化制备的非晶颗粒的结构相类似 ——
▲ 原子团簇尺寸为几十纳米；
▲ 具有某种晶体结构 ;
▲ 存在严重的晶格畸变 ;
▲ 表面原子畸变更加严重。
称其为纳米晶粒模型。
1.3 液态金属纳米晶粒模型的建立 (3)
原子团簇中的畸变在液态金属中存在着热振动和振动中心 (平衡位置 )偏移造成的畸变。以振动中心的偏移造成的畸变为主。
原子团簇的表面原子的畸变大于原子团簇内部原子的畸变。
原子团簇中原子在不同位置上出现的概率随着原子偏离平衡位置距离的增加而降低。
1.3 液态金属纳米晶粒模型的建立 (4)
晶面间距的变化正常点阵的晶面间距的概率最大，偏离正常点阵的晶面间距的概率随偏离距离的增加而减小。
衍射角的变化以正常点阵的衍射峰位最强，其变化规律和与之相对应的晶面间距的变化规律相同。
概率的选择正态分布规律：
22 2/)(e
π2
1)(
xxf
1.3 液态金属纳米晶粒模型的建立 (5)
m
i
tgC
i
tgC
e
PII
i
1 1
)(2
)22(
1
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[)(
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2
2
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)](1[ 2 sDA
(1)
1.3 液态金属纳米晶粒模型的建立 (6)
d
d 22
a r c s i n?
晶格膨胀的处理
(2)
1.4 液态金属纳米晶粒模型的应用 (1)
1.4.1 fcc Cu的 X射线衍射强度图 5 液态 Cu的 X射线衍射强度曲线与由固态
Cu的衍射峰宽化而得的强度曲线的比较。
044.1/2?dd
1300℃
1.4.2 fcc Cu的径向分布函数
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0
5
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20
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r/nm
RD
F
图 6 Cu的径向分布函数
a
b
c
1.4.3 fcc Al的 X射线衍射强度
10 20 30 40 50 60 70 80 90
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Mo K α
图 7 1250℃ 液态 Al的 X射线衍射强度曲线与由 fcc固态 Al
的衍射峰宽化而得的强度曲线的比较 。
1.4.4 bcc Al的 X射线衍射强度
10 20 30 40 50 60 70 80
I
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t
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M o K α
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α
图 8 1250℃ 液态 Al的 X射线衍射强度曲线与由 bcc固态 Al的
X射线衍射峰宽化而得的强度曲线的比较 。
98.0/2?dd
1.4.5 bcc Al的径向分布函数
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0
5
10
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20
25
r/nm
RDF
c
b
a
图 9 Al 的径向分布函数
1.4.6 Al65Cu20Fe15准晶合金 X射线衍射强度
10 20 30 40 50 60 70 80 90
c
b
a
M o K?
a
b
r
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u
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2? / d e g,
图 10 1400℃ 液态 Al65Cu20Fe15准晶合金的 X射线衍射强度曲线与由其固态 X射线衍射峰宽化而得的强度曲线的比较 。
06.1/2?dd
1.5 结论
说明建立的液态金属的纳米晶粒模型对于 Cu、
Al和准晶 Al65Cu20Fe15合金来说是成立的；
说明液态 Cu的原子团簇的短程有序结构与固态
Cu的结构是相关的，即同为 fcc结构；
Al在熔化过程中发生了结构的变化，由 fcc转变成了 bcc；
准晶 Al65Cu20Fe15合金的液态短程有序结构是二十面体。
1.6 需做的工作
固态下金属某种晶格的 X射线峰的计算。
计算出的液态峰与实验值一致性判断的评估。
2 液态金属电磁特性的测量
2.1 测量仪器的原理图
2.2 液态金属电磁特性的初步测量
2.3 需做的工作
2.1 原理图
1和 12：初级线圈； 4和 9：次级线圈； 3和 10：铁心； 2：样品； 5：
计算机； 6：整流滤波； 7：交流毫伏放大； 8：电阻负载； 11：
参照样品； 13：交流信号发生器。
2.2 液态金属电磁特性的初步测量 (1)
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
-5
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电压
/ V
温度 / ℃
铸铁
2.2 液态金属电磁特性的初步测量 (2)
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
-1,4
-1,2
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
电压
/ V
温度 / ℃
纯铝
2.3 需做的工作
进一步实验，检验仪器的重复性；
结合 X射线衍射仪，分析液态金属的高过热和深过冷的结构演变；
3 过冷甩带（未完成）
合金,Cu70Ni30
措施：石英管＋包裹玻璃
现象：吹不出来
4 计划中的工作
4.1 Cu70Ni30合金液固两相区的 X射线衍射
4 计划中的工作
4.2 高过热液态 X射线衍射实验，样品选定为：
锑（ Sb）、铅（ Pb）和铋（ Bi）。
样品 熔点 ℃ 沸点 ℃ 液态区 2/3处
Sb 630.5 1380 1130
Pb 327.3 1744 1271
Bi 271.3 ~1560 ~1130
谢谢！
