Microstructural characteristics and dynamic behavior of Cu-Zr metallic glasses
Authors: Λαγογιάννη Αλεξάνδρα 
Published: August 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην σχέση μεταξύ της μικροδομής και των χαρακτηριστικών ιδιοτήτων των Μεταλλικών Υάλων Cu-Zr μέσω προσομοιώσεων σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Ο ρόλος της στοιχειομετρίας και η δομική εξέλιξη κατά την διάρκεια της ψύξης, διαδικασία στην οποία πραγματοποιείται η υαλοποίηση, καθώς επίσης και οι μικροσκοπικοί μηχανισμοί που λαμβάνουν χώρα κατά την διευθέτηση της μηχανικής παραμόρφωσης, μελετήθηκαν ενδελεχώς σε συστήματα τριών, δύο και μίας διάστασης, αντίστοιχα. Εξήχθηκε το συμπέρασμα ότι σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις συστημάτων, η μικροδομή χαρακτηρίζεται ως επί το πλείστον από μικροσκοπικά συσσωματώματα εικοσαεδρικής δομής τα οποία εμφανίζονται να παίζουν κυρίαρχο ρόλο τόσο στην σταθερότητα όσο και στην διαδικασία υάλωσης, καθώς επίσης και στην μηχανική απόκριση των συστημάτων κατά την επιβολή εφελκυστικής παραμόρφωσης. Πιο συγκεκριμένα βρέθηκε ότι σε όλες τις υπό μελέτη στοιχειομετρίες, η κύρια δομική μονάδα ήταν τα εικοεδρικά συσσωματώματα δεκατριών ατόμων με άτομο χαλκού στο κέντρο, των οποίων τόσο ο αριθμός όσο και το ποσοστό τους σε άτομα χαλκού (άτομα κελύφους) αυξάνονταν καθώς αυξάνονταν το ποσοστό χαλκού στην στοιχειομετρία του συστήματος. Επιπρόσθετα, αποδείχθηκε ότι η διαδικασία στερεοποίησης των συστημάτων συσχετίζεται άμεσα με την εξέλιξη του αριθμού αυτών των συσσωματωμάτων. Επίσης κατά την μελέτη της μηχανικής απόκρισης των συστημάτων όγκου (bulk) βρέθηκε ότι αυτά τα συστήματα δεν παρουσιάζουν ευαισθησία στον ρυθμό παραμόρφωσης (strain rate sensitivity) που τους επιβάλλεται, ενώ η διευθέτηση της μηχανικής παραμόρφωσης είναι ισχυρά συσχετισμένη με τον αριθμό των σχεδόν τέλειων εικοσαεδρικών συσσωματωμάτων που υπάρχουν στο σύστημα, τα οποία εμπλουτίζονται σε άτομα χαλκού, καθώς η παραμόρφωση αυξάνει, ενώ ο αριθμός τους διαρκώς μειώνεται μέχρι το σημείο της θραύσης του υλικού. Στην περίπτωση των συστημάτων που είχαν ελεύθερες επιφάνειες, παρατηρήθηκε πάλι ότι η μικροδομή τους κυριαρχείται από εικοσαεδρικά συσσωματώματα και ο αριθμός τους εξελίσσεται με ανάλογο τρόπο με αυτό των συστημάτων όγκου, συγκλίνοντας σε μία σταθερή τιμή μετά το όριο διαρροής. Επίσης παρατηρήθηκε θετική ευαισθησία ρυθμού παραμόρφωσης, γεγονός που επιτρέπει στα συστήματα να επιδεικνύουν μεγαλύτερη ολκιμότητα από τα αντίστοιχα συστήματα όγκου που επιδεικνύουν μηδενική ευαισθησία στον ρυθμό παραμόρφωσης που τους επιβάλλεται. Στις περιπτώσεις των συστημάτων με μία και δύο διαστάσεις, τάξης μεγέθους νανομέτρων, παρατηρήθηκε ότι τα συστήματα με γεωμετρία ταινίας (ribbon) καταρρέουν πρώτα σε σχέση με τα αντίστοιχα συστήματα με γεωμετρία φύλλου, ενώ και στις δύο περιπτώσεις συστημάτων η μηχανική τους απόκριση κατά την διάρκεια εφελκυσμού είναι ισχυρά συσχετισμένη με την εξέλιξη των εικοσαεδρικών συσσωματωμάτων.Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η περίπτωση ‘δημιουργίας’ υμενίου από μεταλλική ύαλο με ανάλογη διαδικασία με αυτήν που λαμβάνει χώρα κατά την πειραματική εναπόθεση εικοσαεδρικών συσσωματωμάτων σε επιφάνεια. Γνωρίζοντας ότι τα ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά των εναποτιθέμενων συσσωματωμάτων είναι σθεναρά συσχετισμένα με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά τους, όπως το μέγεθός τους, την μορφή τους, την δομή τους, όσον αφορά στην σταθερότητα των CuxZr100–x (0 < x < 100) εικοσαεδρικών συσσωματωμάτων, μελετήθηκαν τέσσερα διαφορετικά μεγέθη (147,309, 561,923 άτομα) εικοσαεδρικών συσσωματωμάτων τα οποία εναποτέθησαν στην επιφάνεια μεταλλικής υάλου με στοιχειομετρία Cu50Zr50. Από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των συσσωματωμάτων που υπολογίστηκαν, όπως η γυροσκοπική ακτίνα, η σχετική αλλαγή των κέντρων μάζας τους, το ποσοστό των ατόμων τους που παρέμεινε πάνω από την επιφάνεια μετά την εναπόθεσή τους κτλ., παρατηρήθηκε ότι τα συσσωματώματα μετά την εναπόθεσή τους, ήταν σταθερότερα και διατηρούσαν την αρχική γεωμετρική τους δομή , όσο το ποσοστό του ζιρκονίου στα άτομα τους αυξάνονταν. Επίσης βρέθηκε ότι σημαντικές αλλαγές επήλθαν στις επιφανειακές τους ενέργειες λόγω της εναπόθεσης των συσσωματωμάτων, οι οποίες εξαρτιόνταν από το μέγεθος καθώς και την ίδια την στοιχειομετρία του συσσωματώματος που εναποθέταμε. Τέλος βρέθηκε ότι τα πλούσια σε άτομα χαλκού εικοσαεδρικά συσσωματώματα αύξαναν την επιφανειακή ενέργεια μέχρι και κατά 30%, ποσοστό το που βρέθηκε στην εναπόθεση συσσωματώματος με 923 άτομα και πλούσιο σε χαλκό.