铁硼基合金最大玻璃化形成能力及软磁性能的研究

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非晶合金以其独特的“短程有序、长程无序”特点和优良的性能,在近几十年里引起了人们的极大研究兴趣。在众多体系中,铁基软磁非晶合金因其具有优异的软磁性能、价格低廉等特点得到了研究者广泛的关注。同时近年来,分子动力学计算模拟技术的迅猛发展使得研究者能够从非晶合金原子结构上深入研究组分-结构-性能三者之间的构效关系,解决实验研究所存在的局限性,从而达到快速开发具有优异非晶形成能力(GFA)和软磁性能的新型铁基软磁非晶合金的目的。本文利用第一性原理分子动力学(AIMD)模拟研究了类金属元素的添加对铁硼基非晶合金原子结构的影响,并通过具体实验验证了计算模拟的结果。此外,还研究了合金从熔融态转变为非晶态的降温过程中原子结构的变化情况。论文主要内容如下:1、利用AIMD模拟从原子局域结构上研究了Fe80+xSi5-xB15(x=0-4)非晶合金的结构以及结构与其非晶形成能力、热力学性能及软磁性能的关系。分析非晶合金的双体分布函数、Voronoi多面体、配位数和化学短程序结果表明,Fe原子和类金属原子(B,Si)之间有着很强的相互作用,并且当Fe量为82 at.%,Si含量为3 at.%时,Fe82Si3B15非晶合金具有很强的溶质-溶质回避效应,同时具有较长的Fe-Fe键及偏配位数使合金具有更高的原子磁矩。为了验证模拟结果的合理性,制备了非晶条带样品并进行了物相、热力学和磁性能分析,结果表明Fe82Si3B15非晶合金显示出完全非晶态结构、良好的热稳定性和非晶形成能力,同时,其饱和磁感应强度(Bs)高达1.69 T、矫顽力低至6.5 A/m。2、利用AIMD模拟和实验研究了P元素的添加对Fe82Si5-aB11-bP2+a+b(a,b=0,1,2)非晶合金的非晶形成能力、热稳定性及磁性的影响,主要通过计算模拟分析其结构相关的参数及实验制备条带样品并进行XRD、DSC和振动样品磁强计(VSM)分析。结果表明,P元素的适量添加,提高了体系团簇的原子排列的多样性,原子团簇种类和类二十面体团簇的占比增加,使得结构更趋于稳定,进而提高GFA。在五种合金中,Fe82Si4B10P4非晶合金具有最强的溶质-溶质回避效应,及具有较长的Fe-Fe键和较高的偏配位数NFe-Fe,同时利用对实验制备的条带样品进行测试分析,证实了模拟计算的结果,同时也证实了多组分结构对提高GFA具有显著的作用。3、利用AIMD模拟研究了四元Fe82Si4B10P4非晶合金从熔融态到非晶态的降温过程中体系原子结构的变化情况。模拟结果表明,合金在玻璃化转变过程中,体系的能量、体积和相关结构参数都会发生明显变化,表明了结构与玻璃转变之间存在着密切联系。从熔融态到非晶态转变的过程中,合金的双体分布函数中第二近邻峰开始逐渐出现劈裂现象,溶剂原子和溶质原子之间的相互作用也越来越强,体系中有助于非晶形成的二十面体团簇(0,0,12,0)和类二十面体团簇(0,3,6,3)、(0,2,8,2)和(0,1,10,2)含量逐渐升高,体系中团簇之间的相互竞争也使得原子排列更为紧密,增加了体系的稳定性并提高了体系的GFA。
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