柳百新的研究成果

柳百新的研究成果

阐明离子注入下金属氮（碳）化物的形成规律
氮（碳）离子注入在金属表面层中有可能形成相应的氮化物（碳化物）而改善材料的摩擦学性能。柳百新带领几名学生对20 多种金属作了系统的研究，获得多种新的合金相，揭示了新相与母相结构匹配的重要性，由此提出结构适应性原则，并用快速切变机制解释了实验中观察到的有关相变。研究结果综合阐明了金属氮化物（碳化物）形成中热力学和生长动力学诸因素各自的作用和主次关系。1989年应邀为德国“固态物理”期刊撰写了综述性论文。这项工作也是“863”材料表面优化专题中的课题，结题时受到专家组的表彰。
以上关于非晶、分形和氮（碳）化物的3项研究成果一起获得1993年度国家自然科学奖二等奖，获奖项目名称为：载能离子束与金属作用下合金相的形成与分形生长现象的研究。
提出离子束混合形成亚稳合金相的热力学模型
柳百新领导的研究组以A.R.Miedema模型为理论框架对亚稳合金相进行热力学计算。首次考虑了多层膜中曾被忽略的界面能的作用，并将界面能加在多层膜的初始能态上。计算结果表明：对于生成热△Hf>0的系统，界面能随界面份额（定义为界面层中的原子数与多层膜中的总原子数之比）的增加而增加，因此使多层膜的初始能态升高而与非晶相呈凸形的自由能曲线相交割，从而把合金成分划分为3个区域：中央区域中非晶相的自由能仍高于多层膜，而另外两侧的成分区域中多层膜的初始能态都已超过了非晶相。进一步提高多层膜中的界面份额使初始能态提高，也有可能在非晶相自由能最高的等原子比附近获得非晶态合金。这些预言都用离子束混合实验在多个二元金属系统中得到证实，论证了对于△Hf>0的系统，界面能是非晶态合金形成的热力学驱动力；而对于△Hf<0的系统，界面能的影响是较小的，负的△Hf本身是非晶化相变的驱动力。由此建立了适用于△Hf<0和△Hf>0（实验中研究的系统的最大生成热为+65kJ/mol）的二元金属系统中多层膜离子束混合形成非晶态合金的热力学模型。
离子束混合还获得众多的亚稳晶态合金。经常观察到的是A3B和AB3型亚稳晶相（A和B代表A-B二元金属系统的两个组元金属）。柳百新领导的研究组提出了改进的热力学算法，计算出这两种亚稳晶相的自由能曲线，由此构造了更为完善的Gibbs自由能图。对于计算得到的自由能图，首次提出用稳态退火的实验来检验其合理性的思想。结果表明：退火中有关合金相随升温而出现的次序与自由能图所预言的相符，由此肯定了构造的自由能图（至少在框架上）是合理的。
对于上述两类亚稳晶相，提出bcc-hcp-fcc（体心立方—密堆六角—面心立方）两步骤相变的生长动力学机制，揭示了从bcc 为基的合金中先后生长出hcp和fcc相的原子运动模型，并推导出hcp和fcc相的点阵常数，与实验中用衍射分析测定的值符合得很好。近年里，柳百新指导的博士生从第一性原理计算肯定了二元金属系统中存在相应的两种亚稳物质状态，对应于实验中获得的上述两种亚稳晶相，从固态电子结构的层次阐明了A3B和AB3型亚稳晶相的稳定性。
这项研究成果使经验规律上升到热力学和生长动力学的理论模型，对亚稳合金相的形成及相变理论的发展作出了有意义的贡献。阐明了界面能是△Hf>0的系统中合金化和非晶化的主要驱动力，由此可以通过多层膜的设计而制备出成分可调的新型亚稳合金。本领域奠基人之一、美国工程院院士J.W.Mayer给于很高的评价，称之为“multilayer technique”。1998年，由Mayer和其他4位美国学者联合提名，柳百新因为“对离子束混合形成非晶态合金的理解所作出的杰出贡献”而当选为美国物理学会理事（Fellow）。
提出固态反应非晶化的热力学和原子运动模型
1983年以来，文献中一直认为多层膜中固态反应非晶化的必要条件是系统的生成热很负和原子尺寸差很大。柳百新领导的研究组首先用系统的实验论证了固态反应非晶化也可以在生成热为正的系统中发生，论证了多层膜中的界面能是非晶化相变的驱动力。关于Cu-Ta多层膜的实验结果发表于1995年底，而国外用Cu-Ta双层膜观察到同样相变的工作发表于1999年。柳百新等人又进一步定义了热力学和动力学因子，对研究过的28个系统作了定量的计算，由此提出固态反应非晶化的理论判据，与迄今发表的实验结果相符合。
对Ni-Mo，Ni-Nb，Ni-Ta，Ni-Ti等系统，应用已建立的原子相互作用多体势，通过分子动力学方法在原子运动的层次研究了固态反应的动力学：观察到穿越界面的原子迁移、揭示了非晶化受扩散或界面控制的规律、揭示了界面织构可能在非晶化中起形核或生长位垒的作用、并观察到两种金属晶体无序化的先后次序。根据模拟和实验结果，柳百新等人首次阐明了晶态—非晶态相变的物理本质是晶格中固溶原子超过临界固溶度时的塌陷。由此推理：当两组元金属的固溶度有差异时，在其他条件相同的情况下，非晶层向固溶度小的金属方向生长得应该较快，所作预言与实验观察结果相符。