液态Cu64Zr36合金的结构及动力学模拟*

刘艳爽，李家云

(哈尔滨师范大学)

液态Cu64Zr36合金的结构及动力学模拟*

刘艳爽，李家云

(哈尔滨师范大学)

采用第一性原理分子动力学方法，对液态Cu64Zr36合金进行了模拟，并计算了径向分布函数、均方位移和中间自散射函数.结果表明:随温度降低，体系的结构更加有序;温度降低致使Cu64Zr36合金体系的动力学减慢.

液态Cu－Zr合金;液态结构;动力学性质;第一性原理

0 引言

金属玻璃(metallic glasses简称MGs)的结构最初是用硬球密堆模型来描述的［1］.关于金属玻璃的形成也有人提出了拓扑模型［2］.大块金属玻璃比普通金属材料有着更优良的力学性能，显示出了更高的抗拉强度，更低的弹性模量和更大的弹性伸长量，应用更加广泛，所以对大块金属玻璃的形成及结构性能的研究更加引起人们的重视［3］.玻璃形成能力很大程度上取决于合金的组成成分，对于金属合金的研究很多［4－9］，有研究显示 Cu－Zr金属玻璃的直径可达到20 mm［10］，它不仅一直是人们研究的热点，对Cu－Zr合金的研究也更加重要.虽然人们根据经验，可以制得很多具有很好玻璃形成能力的大块金属玻璃，但是这些经验并不是对所有体系都适用，所以对于采用计算机模拟方法研究合金的微观结构和性质成为人们开辟新路径的有效方法.在此基础上，采用第一性原理分子动力学(abinitio molecular dynamics，简称AIMD)方法，对不同温度下Cu64Zr36的结构及动力学行为进行了研究.

1 模拟方法

该次第一性原理计算在NVT体系下进行，采用Nosé热浴进行控温.模拟初始构型为周期性边界条件下包含64个Cu原子和36个Zr原子的立方晶胞.模拟过程:先将体系在3000 K运行6 ps，获得平衡的液态 Cu64Zr36，时间步长是2 fs.最后，将体系以5×1015K/s的速率降温至1000 K.体系分别在 3000 K、2500 K、2200 K、1900 K、1600 K、1300 K、1000 K运行 12 ps.最后，每个温度选3000个构型做进一步分析.

2 结果与讨论

为了更清晰的显示出有高温到低温的结构及动力学变化，文中只取2200 K、1600 K和1000 K三个温度进行对比分析.

径向分布函数(Radial Distribution Function)g(r)是研究液态和非晶态结构的重要参数，对其进行傅里叶变换可以得到静态结构因子S(q)，见图1和图2.由图1可以看出，g(r)第一峰的高度随温度降低而逐渐增加，第一个最小值降低，并且第二峰高度也增加.这说明，近邻和次近邻原子层变得越来越明显，结构更加有序.与g(r)的变化相对应，随着温度降低，图2中S(q)的峰变高且也更加明显.qmax为S(q)第一峰对应的q值，因其随温度无明显变化，所以取 qmax=36 nm－1用于下面的计算.

图1 Cu64Zr36合金的径向分布函数随温度的变化

图2 Cu64Zr36在三个温度下的静态结构因子

对液态Cu64Zr36二元合金体系的动力学性质的分析，主要计算了均方位移函数(Meansquare displacements，简称MSD)和中间自散射函数(Incoherent intermediate scattering function，Fs(q，t))，在 Fs(qmax，t)中，qmax为静态结构因子S(q)第一峰对应的q值，qmax=36 nm－1.

图3是不同温度下Cu64Zr36的均方位移.MSD曲线包含三个区域:初始的自由振动区(t＜100 fs)，中间的平台区和最后扩散区(t＞1000 fs).三条曲线对比，低温时MSD图像上可见平台，笼子效应明显，说明原子位置的重排能力较弱，粒子需要很长的时间才能脱离笼子的束缚.在温度变低过程中，MSD曲线的斜率逐渐减小，原子扩散减慢.这说明温度的差异影响了体系的动力学，温度越低粒子运动越慢.

图4是计算的中间自散射函Fs(qmax，t).从图4中可以发现，Fs(qmax，t)存在一个快速的初始衰退，接着是一个缓慢的衰减区，长时间以后衰减到零，这说明体系热起伏消失，已完成结构弛豫，达到平衡态.初始阶段粒子在笼子内自由运动，Fs(qmax，t)随时间呈高斯状变化，这与粒子MSD的自由振动区(t＜100 fs)对应;100 fs＜t＜ 1000 fs时，Fs(qmax，t)衰减极慢，这段时间体系结构无明显变化，且与高温2200 K相比，1000 K的衰减更加缓慢，β弛豫更明显.Fs(qmax，t)的变化充分说明了温度对Cu64Zr36体系动力学的影响.

图3 液态Cu64Zr36合金的均方位移函数MSD对温度的变化

图4 液态Cu64Zr36合金的均方位移函数MSD对温度的变化

3 结论

应用第一性原理方法，模拟了不同温度下包含64个Cu原子和36个Zr原子的液态Cu64Zr36二元合金体系，并对体系的结构及动力学性质随温度的变化做了详细的分析.结果表明，温度对体系结构存在影响，并且温度越低结构越有序，低温体系的结构有序度更高;与高温相比，低温使体系的动力学变慢.

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Structure and Dynamics of Liquid Cu64Zr36Alloy by Ab－initio Molecular Dynamics Simulations

Liu Yanshuang，Li Jiayun
(Harbin Normal University)

Liquid Cu64Zr36alloy has been investigated with an ab initio molecular－dynamics technique.Our results confirm that the order degree of structure increases with decreasing temperature，and the particles moving more slowly at low temperature.

Liquid Cu－Zr alloy;Liquid structure;Dynamic properties;Ab－initio molecular dynamics

2011－09－23

*黑龙江省教育厅科研技术项目(10TJKJ32)

(责任编辑:李佳云)