科技创新导报２００８ ＮＯ．０１
高 新 技 术
液态金属结构的研究进展
王桂珍１ 耿浩然１ 孙春静２ 吉蕾蕾１
（１．济南大学材料科学与工程学院 济南 ２５０２２； ２．山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室 济南 ２５００６１）摘 要：综述目前液态结构国内外研究现状、取得的成果及研究存在的问题，金属熔体的物理性质如粘度、密度等都与液态结构密切相关，而且也具有重大的现实意义。关键词：液态结构 理论模型 微观结构中图分类号：ＴＧ２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００８）０１（ａ）－０００２－０１
在过去，人们大量的研究主要针对固体或气体，积累了可观的知识。与此相比，由于试验测试和数据分析上的困难，对熔态物质的性质和结构的研究未能像研究静态和非晶态固体物质那样有相应的发展，对液态金属结构虽有一定认识，但还没有一个全面完善的理论来描述液态金属的结构。
随着对液态结构的深入研究，人们对于液态结构有了新的了解。认识到金属的液态原子不是完全紊乱的，而是呈短程有序结构，或者称为原子团簇（流动集团）。这种有序性范围通常小于０．５ｎｍ。金属熔体短程有序结构的发现，对于探索金属凝固的原理以及固体组织都起到重要的理论指导作用。Ｓａｂｏｕｎｇ利用中子衍射发现了Ｋ－Ｐｄ合金熔体结构因子上有预峰存在，它的有关参数和温度有关。Ｓｌｌｉｏｔ在非晶固体结构研究中发现了比短程有序大的多的结构，并定义为中程有序。中程有序结构的发现，对高温熔盐结构及其性质的控制有重要的理论指导作用。
虽然对高温熔体进行试验方面的研究存在不少困难，但高温熔体具有丰富的物理内涵和重要的应用背景，引起人们广泛的研究兴趣，近年来对高温熔体研究较多的是关于熔体的结构及其与性质的关系，主要集中于液态半导体、液体的金属－非金属转变、表面熔化等方向。随着实验技术的发展和研究方法的改进，对熔体的研究取得了一些进展。实验上主要是用Ｘ射线和中子射线研究熔体的结构，理论上是对熔体结构进行数值模拟。 Ｋｉｖｅｌｓｏｎ等人发现在过冷的液态亚磷酸三苯酯（ＴＰＰ）中存在不连续变化，Ｈａｊｉｍｅ Ｔａｎａｋａ等认为这种不寻常变化属于温度诱导液液结构转变，且变化具有可逆性，进一步研究了液液转变的动力学规律［１］。大量的实验数据证明，在一些单物质（如Ｃ，Ｇａ，Ｂｉ，Ｓｉ，Ｈ２Ｏ，Ｐ） 中，在压力诱导下液态结构会发生异常变化［２－１０］，关于液态磷的压力诱导下的非连续变化起了里程碑的作用，提供了液态结构转变的直接实验数据；国内山东大学、中科院物理研究所和济南大学等单位做了大量有成效的工作。研究了永磁场下金属熔体黏滞性的变化：试验结果表明不同磁场强度下，熔体的黏度值均随温度的升高呈指数递减，基本符合Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ公式，同温度下熔体粘度随着磁场强度增强而增大［１１］。利用分子动力学方法进行了铝熔体黏度—温度关系的计算机模拟试验研究，为熔体物性的研究开辟了新的研究技术和方法［１２］。祖方遒采用内耗方法研
究了液态Ｐｂ－Ｓｎ合金的结构［１３］，观察到该合金熔体中在７００℃左右发生液－液相变，且液－液相变线与Ｐｏｏｌｅ［１４］的结果基本吻合。耿浩然采用改进的阿基米德法测量Ｂｉ的密度时发现，在高出熔点３９℃即３１０℃左右出现异常值，熔体结构存在突变，证明Ｂｉ熔体具有热缩冷胀的反常现象［１５］。胡丽娜发现金属液体中存在的近程有序结构（或团簇）与金属液体的脆性具有密切的联系：液体的脆性是液体中近程有序结构稳定性的体现［１６］。金属熔体原子团簇的微观热收缩研究表明，原子团簇的微观热收缩是熔体中自由体积膨胀较之宏观体积膨胀更为严重的结构，原子配位数的减小起了重要作用，团簇结构的变化是导致其出现热收缩的根本原因［１７］
。利用内耗、粘度、液态Ｘ射线衍射、ＤＳＣ等实验分析和分子动力学模拟等理论手段发现液态Ｐｂ－Ｓｎ［１８］、Ｉｎ－Ｓｎ、Ｐｂ－Ｂｉ、Ｓｂ－Ｂｉ、Ａｌ－Ｃｕ、Ｃｕ－Ｉｎ、Ｉｎ－Ｓｂ、Ｇａ－Ｓｂ及Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｂ［１９－２２］等熔体结构敏感物性随温度的升高出现了异常变化，表明了合金熔体发生了温度诱导的液液结构转变，这些变化打破了传统的观念：物质的结构是随着温度和压力连续地变化的，填补了从熔点到液－气临界点之间高温区液态金属现象学空白。
近年来随着科学技术的发展，对液态的研究逐步受到了重视。虽然金属及合金的液态结构及其变化取得了一定的研究成果，但液态结构及液液结构转变的内在机制仍不太清楚。因此，深入研究金属及合金的液态结构及其变化规律具有重大的意义。
１７０．
［１０］ Ｃ．Ｊ．Ｓｕｎ，Ｈ．Ｒ．Ｇｅｎｇ，Ｌ．Ｌ．Ｊｉ．Ｒｈｅｏｌｏｇｉ－
ｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｍｅｔａｌ Ｐｂ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｓｎ ｍｅｌｔｓ．ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ａｐｐｌｉｅｄ ｐｈｙｓｉｃｓ（ａｃｃｅｐｔｅｄ）．［１１］ 耿浩然，孙春静等．金属熔体黏度与结构
相关性的分子动力学模拟．物理，２００６，５５（３）：１３２０－１３２３．
［１２］ Ｚｕ Ｆ Ｑ．Ｚｈｕ ＺＧ，ｅｔｃ．Ｌｉｑｕｉｄ－ｌｉｑｕｉｄ
ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｉｎ Ｐｂ－Ｓｎ ｍｅｌｔｓ． ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ Ｂ，２００１，６４（１８）：１８０２０３／１－４．［１３］ 杨中喜，耿浩然，陶珍东等．液态Ｓｎ的粘
度及其熔体微观结构的变化．原子与分子物理学报，２００４，２１（４）６６３－６６６．
［１４］ 耿浩然，孙春静等．Ｓｂ和Ｂｉ熔体的密度变
化，科学通报，２００７，５２（７）：７５６－７５９．［１５］ 胡丽娜．金属玻璃形成液体的脆性研究．
山东大学博士学位论文，２００６．
［１６］ 程素娟．金属熔体原子团簇的微观热收缩
现象．山东大学博士学位论文，２００４．
［１７］ 祖方遒，朱震刚，郭丽娟等．液态Ｐｂ－Ｓｎ合
金的内耗研究．中山大学学报，２００１，４０：２７３－２７５．
［１８］ 王桂珍，耿浩然孙春静等．Ｇａ－Ｓｂ熔体的
密度－温度特性．济南大学学报（自然科学版）２００８（１）：９４．
参考文献
［１］ ＭｃＭｉｌｌａｎ Ｐ． Ｎａｔｕｒｅ ，２０００，４０３：１５１．［２］ Ｐｏｏｌｅ Ｃ Ａ． Ｇｒａｎｄｅ Ｔ， ＭｃＭｉｌｌａｎ Ｐ．
Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９７，２７５ ：３２２．
［３］ Ｌａｃｋｓ Ｄ Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ ． ， ２０００ ，
８４ ： ２８８１．
［４］ Ｍｉｓｈｉｍａ Ｏ，Ｓｔａｎｌｅｙ Ｈ Ｅ． Ｎａｔｕｒｅ，１９９８，
３９２：１６４．
［５］ Ｋｏｇａ Ｋ，Ｔａｎａｋａ Ｈ， Ｚｅｎｇ Ｘ Ｃ． Ｎａｔｕｒｅ，
２０００，４０８：５６４．
［６］ Ｓｏｐｅｒ Ａ Ｋ， Ｒｉｃｃｉ Ｍ Ａ．Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ．
Ｌｅｔｔ，２０００，８４：２８８１．
［７］ Ｇｌｏｓｌｉ Ｊ Ｎ，Ｒｅｅ Ｆ Ｈ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ，
１９９９，８２：４６５９．
［８］ Ｒａｔｙ Ｊ Ｙ ｅｔ ａｌ． Ｐｈｙｓ：Ｃｏｎｄｅｎｓ．Ｍａｔｔｅｒ，
１９９９，１１：１０２４３．
［９］ Ｋａｔａｙａｍａ Ｙ ｅｔ ａｌ． Ｎａｔｕｒｅ，２０００，４０３：
２
科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
科技创新导报２００８ ＮＯ．０１
高 新 技 术
液态金属结构的研究进展
王桂珍１ 耿浩然１ 孙春静２ 吉蕾蕾１
（１．济南大学材料科学与工程学院 济南 ２５０２２； ２．山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室 济南 ２５００６１）摘 要：综述目前液态结构国内外研究现状、取得的成果及研究存在的问题，金属熔体的物理性质如粘度、密度等都与液态结构密切相关，而且也具有重大的现实意义。关键词：液态结构 理论模型 微观结构中图分类号：ＴＧ２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００８）０１（ａ）－０００２－０１
在过去，人们大量的研究主要针对固体或气体，积累了可观的知识。与此相比，由于试验测试和数据分析上的困难，对熔态物质的性质和结构的研究未能像研究静态和非晶态固体物质那样有相应的发展，对液态金属结构虽有一定认识，但还没有一个全面完善的理论来描述液态金属的结构。
随着对液态结构的深入研究，人们对于液态结构有了新的了解。认识到金属的液态原子不是完全紊乱的，而是呈短程有序结构，或者称为原子团簇（流动集团）。这种有序性范围通常小于０．５ｎｍ。金属熔体短程有序结构的发现，对于探索金属凝固的原理以及固体组织都起到重要的理论指导作用。Ｓａｂｏｕｎｇ利用中子衍射发现了Ｋ－Ｐｄ合金熔体结构因子上有预峰存在，它的有关参数和温度有关。Ｓｌｌｉｏｔ在非晶固体结构研究中发现了比短程有序大的多的结构，并定义为中程有序。中程有序结构的发现，对高温熔盐结构及其性质的控制有重要的理论指导作用。
虽然对高温熔体进行试验方面的研究存在不少困难，但高温熔体具有丰富的物理内涵和重要的应用背景，引起人们广泛的研究兴趣，近年来对高温熔体研究较多的是关于熔体的结构及其与性质的关系，主要集中于液态半导体、液体的金属－非金属转变、表面熔化等方向。随着实验技术的发展和研究方法的改进，对熔体的研究取得了一些进展。实验上主要是用Ｘ射线和中子射线研究熔体的结构，理论上是对熔体结构进行数值模拟。 Ｋｉｖｅｌｓｏｎ等人发现在过冷的液态亚磷酸三苯酯（ＴＰＰ）中存在不连续变化，Ｈａｊｉｍｅ Ｔａｎａｋａ等认为这种不寻常变化属于温度诱导液液结构转变，且变化具有可逆性，进一步研究了液液转变的动力学规律［１］。大量的实验数据证明，在一些单物质（如Ｃ，Ｇａ，Ｂｉ，Ｓｉ，Ｈ２Ｏ，Ｐ） 中，在压力诱导下液态结构会发生异常变化［２－１０］，关于液态磷的压力诱导下的非连续变化起了里程碑的作用，提供了液态结构转变的直接实验数据；国内山东大学、中科院物理研究所和济南大学等单位做了大量有成效的工作。研究了永磁场下金属熔体黏滞性的变化：试验结果表明不同磁场强度下，熔体的黏度值均随温度的升高呈指数递减，基本符合Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ公式，同温度下熔体粘度随着磁场强度增强而增大［１１］。利用分子动力学方法进行了铝熔体黏度—温度关系的计算机模拟试验研究，为熔体物性的研究开辟了新的研究技术和方法［１２］。祖方遒采用内耗方法研
究了液态Ｐｂ－Ｓｎ合金的结构［１３］，观察到该合金熔体中在７００℃左右发生液－液相变，且液－液相变线与Ｐｏｏｌｅ［１４］的结果基本吻合。耿浩然采用改进的阿基米德法测量Ｂｉ的密度时发现，在高出熔点３９℃即３１０℃左右出现异常值，熔体结构存在突变，证明Ｂｉ熔体具有热缩冷胀的反常现象［１５］。胡丽娜发现金属液体中存在的近程有序结构（或团簇）与金属液体的脆性具有密切的联系：液体的脆性是液体中近程有序结构稳定性的体现［１６］。金属熔体原子团簇的微观热收缩研究表明，原子团簇的微观热收缩是熔体中自由体积膨胀较之宏观体积膨胀更为严重的结构，原子配位数的减小起了重要作用，团簇结构的变化是导致其出现热收缩的根本原因［１７］
。利用内耗、粘度、液态Ｘ射线衍射、ＤＳＣ等实验分析和分子动力学模拟等理论手段发现液态Ｐｂ－Ｓｎ［１８］、Ｉｎ－Ｓｎ、Ｐｂ－Ｂｉ、Ｓｂ－Ｂｉ、Ａｌ－Ｃｕ、Ｃｕ－Ｉｎ、Ｉｎ－Ｓｂ、Ｇａ－Ｓｂ及Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｂ［１９－２２］等熔体结构敏感物性随温度的升高出现了异常变化，表明了合金熔体发生了温度诱导的液液结构转变，这些变化打破了传统的观念：物质的结构是随着温度和压力连续地变化的，填补了从熔点到液－气临界点之间高温区液态金属现象学空白。
近年来随着科学技术的发展，对液态的研究逐步受到了重视。虽然金属及合金的液态结构及其变化取得了一定的研究成果，但液态结构及液液结构转变的内在机制仍不太清楚。因此，深入研究金属及合金的液态结构及其变化规律具有重大的意义。
１７０．
［１０］ Ｃ．Ｊ．Ｓｕｎ，Ｈ．Ｒ．Ｇｅｎｇ，Ｌ．Ｌ．Ｊｉ．Ｒｈｅｏｌｏｇｉ－
ｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｍｅｔａｌ Ｐｂ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｓｎ ｍｅｌｔｓ．ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ａｐｐｌｉｅｄ ｐｈｙｓｉｃｓ（ａｃｃｅｐｔｅｄ）．［１１］ 耿浩然，孙春静等．金属熔体黏度与结构
相关性的分子动力学模拟．物理，２００６，５５（３）：１３２０－１３２３．
［１２］ Ｚｕ Ｆ Ｑ．Ｚｈｕ ＺＧ，ｅｔｃ．Ｌｉｑｕｉｄ－ｌｉｑｕｉｄ
ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｉｎ Ｐｂ－Ｓｎ ｍｅｌｔｓ． ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ Ｂ，２００１，６４（１８）：１８０２０３／１－４．［１３］ 杨中喜，耿浩然，陶珍东等．液态Ｓｎ的粘
度及其熔体微观结构的变化．原子与分子物理学报，２００４，２１（４）６６３－６６６．
［１４］ 耿浩然，孙春静等．Ｓｂ和Ｂｉ熔体的密度变
化，科学通报，２００７，５２（７）：７５６－７５９．［１５］ 胡丽娜．金属玻璃形成液体的脆性研究．
山东大学博士学位论文，２００６．
［１６］ 程素娟．金属熔体原子团簇的微观热收缩
现象．山东大学博士学位论文，２００４．
［１７］ 祖方遒，朱震刚，郭丽娟等．液态Ｐｂ－Ｓｎ合
金的内耗研究．中山大学学报，２００１，４０：２７３－２７５．
［１８］ 王桂珍，耿浩然孙春静等．Ｇａ－Ｓｂ熔体的
密度－温度特性．济南大学学报（自然科学版）２００８（１）：９４．
参考文献
［１］ ＭｃＭｉｌｌａｎ Ｐ． Ｎａｔｕｒｅ ，２０００，４０３：１５１．［２］ Ｐｏｏｌｅ Ｃ Ａ． Ｇｒａｎｄｅ Ｔ， ＭｃＭｉｌｌａｎ Ｐ．
Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９７，２７５ ：３２２．
［３］ Ｌａｃｋｓ Ｄ Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ ． ， ２０００ ，
８４ ： ２８８１．
［４］ Ｍｉｓｈｉｍａ Ｏ，Ｓｔａｎｌｅｙ Ｈ Ｅ． Ｎａｔｕｒｅ，１９９８，
３９２：１６４．
［５］ Ｋｏｇａ Ｋ，Ｔａｎａｋａ Ｈ， Ｚｅｎｇ Ｘ Ｃ． Ｎａｔｕｒｅ，
２０００，４０８：５６４．
［６］ Ｓｏｐｅｒ Ａ Ｋ， Ｒｉｃｃｉ Ｍ Ａ．Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ．
Ｌｅｔｔ，２０００，８４：２８８１．
［７］ Ｇｌｏｓｌｉ Ｊ Ｎ，Ｒｅｅ Ｆ Ｈ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ，
１９９９，８２：４６５９．
［８］ Ｒａｔｙ Ｊ Ｙ ｅｔ ａｌ． Ｐｈｙｓ：Ｃｏｎｄｅｎｓ．Ｍａｔｔｅｒ，
１９９９，１１：１０２４３．
［９］ Ｋａｔａｙａｍａ Ｙ ｅｔ ａｌ． Ｎａｔｕｒｅ，２０００，４０３：
２
科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ