冷却速率对Cu54 Hf46 合金结构及动力学特性的分子动力学模拟研究

本研究通过分子动力学(MD)模拟结合紧束缚势(TB)，系统探究了不同冷却速率下Cu54 Hf46 合金的原子结构、玻璃形成过程及扩散机制。研究发现降低冷却速率可促进<0,0,12,0>团簇形成，增强短/中程有序性，并通过模式耦合理论(MCT)和Vogel-Fulcher-Tammann方程揭示了原子扩散规律，为优化金属玻璃(GFA)制备工艺提供了理论依据。

　　

金属玻璃因其非晶态结构展现出卓越的力学性能和耐腐蚀性，成为材料科学领域的研究热点。然而，二元合金体系能否形成块体非晶材料曾备受质疑，尤其是Cu-Hf合金的玻璃形成能力(GFA)与微观结构演化机制尚不明确。传统实验手段如X射线衍射(XRD)和电子显微镜(EM)难以捕捉原子尺度的动态过程，而第一性原理计算又受限于计算规模。针对这一瓶颈，研究人员采用分子动力学(MD)模拟这一"计算显微镜"，对Cu₅₄
Hf₄₆
合金的冷却过程展开深入研究。

科学和技术研究理事会（TUBITAK）支持的Murat CELTEK团队在《Journal of Non-Crystalline Solids》发表的研究中，创新性地采用紧束缚势(TB potential)进行大规模MD模拟，通过对比三种冷却速率(10¹¹
、10¹²
、10¹³
K/s)下的结构演变，揭示了Cu-Hf合金的玻璃形成机制。研究发现，降低冷却速率显著提升了<0,0,12,0>二十面体团簇的比例，其中铜原子作为团簇核心的关键作用被首次量化证实。扩散行为的定量分析表明，该体系符合模式耦合理论(MCT)和Vogel-Fulcher-Tammann方程的双重特征，为理解金属玻璃的动力学冻结过程提供了新视角。

关键技术方法包括：1)采用TB势进行纳秒级MD模拟；2)通过径向分布函数(PDF)和结构因子(S(q))分析短程有序性；3)结合Honeycutt-Andersen(HA)和Voronoi tessellation(VT)方法解析中程有序结构；4)基于均方位移(MSD)计算自扩散系数(D)。

【体积-温度-冷却速率关系】
V-T曲线显示所有冷却速率下均未出现晶体相变特征，第二峰分裂的PDF曲线证实了非晶态形成。10¹²
K/s冷却速率下获得最低玻璃转变温度(T_g
)，表明该条件最利于形成致密非晶结构。

【结构演化分析】
PDF与实验数据高度吻合，证实模拟可靠性。Cu-centered二十面体团簇占比达1551对，其数量与冷却速率呈负相关。化学短程有序参数(CSRO)证明Cu-Hf键合优先于同种原子键合，这种异质键合模式是抑制晶化的关键。

【扩散动力学】
高温区(>1500K)原子扩散符合MCT理论，而低温区(<1200K)服从Vogel-Fulcher-Tammann方程，显示从液态到玻璃态的动力学转变。Hf原子的扩散激活能始终高于Cu，说明重原子迁移是玻璃形成的限速步骤。

该研究通过多尺度模拟揭示了冷却速率调控非晶结构的物理机制：较慢冷却促进二十面体有序畴的生长，这些畴通过Cu-Hf键合网络相互连接，形成具有高机械强度的非晶基体。研究不仅为Cu-Hf合金的工业应用提供了工艺优化窗口，其建立的TB势-MD方法框架还可推广至其他二元合金体系的GFA预测。特别值得注意的是，发现中等冷却速率(10¹²
K/s)能在结构有序性和生产效率间取得最佳平衡，这一结论对实际生产具有重要指导价值。