典型純金屬凝固過程中的Ostwald分步形核機制及結構遺傳性

《典型純金屬凝固過程中的Ostwald分步形核機制及結構遺傳性》是依託上海大學，由吳永全擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：典型純金屬凝固過程中的Ostwald分步形核機制及結構遺傳性
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：吳永全
• 依託單位：上海大學

中文摘要

凝固過程控制是材料製備設計過程（如材料基因組計畫）中至關重要的一個環節。最新研究結果顯示：許多凝固過程，如深過冷條件下的凝固，不是一步到位，而是分步行核，中間會出現大量亞穩相。這種現象嚴重衝擊了目前仍然通用的經典行核理論（Classical Nucleation Theory, CNT），急需對該理論進行修正。本項目擬通過對典型的bcc-Fe、hcp-Mg、fcc-Al三種純金屬的凝固過程（形核過程）進行計算機模擬、光譜分析以及理論模型研究，從中制定完整的Ostwald分步行核機制。具體內容包括：原子標定技術的構建；通過第一性原理計算，構建孤立和均勻場條件下的團簇殼層結構模型；通過分子動力學模擬和光譜分析三種純金屬在不同冷卻速度下的形核及晶核長大情況，總結形核過程中的系列關鍵參數；按照CNT的推導思路，從熱力學角度構建完整的分步形核理論，並從中總結作為亞穩相孿晶結構的遺傳特性。

結題摘要

我們對三種典型純金屬（BCC-Fe, FCC-Al, HCP-Mg）在凝固過程中的結構的演變進行了系統的研究。首先，我們改善了目前已有的原子標定的技術，將VP方法BOP方法相互結構，用VP法進行近鄰原子判斷，同時採用VP法標定BCC原子，然後用BOP方法中的Frenkel指數標定區分固液相原子，最後用BOP的四重指數q4來區分FCC和HCP原子。事實證明我們的方法比前人的方法更精確且適應能力更強。 在此基礎上，我們對不同金屬的不同勢函式在描述相變的適應性驗證方面提出了一個系統思路，這是讓我們的模擬研究能夠獲得信服結果的前提基礎。然後，我們對三類單金屬體系的凝固過程做了系統的MD模擬研究，在給出系統熱力學分析的基礎上，仔細分析了體系的形核長大過程中的結構演化，明確提出了有序化領先緻密化的演化過程。 我們還專門針對固液界面的微觀結構提出了我們自己的認識——共軛雙膜結構，這是國際上首次提出如此精確的結構模型。 在本項目支持下，我們針對多種透明和不透明單晶的結構及水和甘油的混合液的粘度進行了系統的布里淵散射光譜的測試分析，獲得了多種彈性性能數值，包括國際上首次的光彈常數以及混合液的粘度值。 我們還針對Al做了系統的嵌入固相團簇誘導體系凝固的模擬研究，發現：這是目前驗證經典形核理論最有效的方法，可以有效獲得與晶核尺寸對應的過冷度，同時我們發現了超過一定過冷度之後的spinodal凝固現象，及不需要形核而直接凝固長大的過程。在改變晶核形狀的研究過程中，我們發現形狀因子對過冷度的影響效果，從而更精確獲得了固液界面能。 最新的研究結果還告訴我們無論是在結晶還是玻璃化的過程中，體系的固態性質的表現在剪下試驗中非常明顯。 在這些研究的基礎上，我們將提出液相統一理論。 所有的這些研究結果，都有可能對目前國際上對諸如液相結構、固液界面結構、凝固過程等基礎問題產生一些新的認識和看法。