《基於Debye-Grüneisen模型的純元素熱物理性質的CALPHAD方法研究》是依託上海大學，由魯曉剛擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於Debye-Grüneisen模型的純元素熱物理性質的CALPHAD方法研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：魯曉剛
- 依託單位：上海大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本項目選取Al、Fe、Ni和Ti純元素作為主要研究對象，在收集查考大量文獻中的實驗數據的基礎上，結合補充的關鍵實驗，運用Debye-Grüneisen模型，通過最佳化擬合這些元素的穩定晶體結構的相關數據，選取最具普適性的狀態方程，並構建適用於Helmholtz自由能的磁性模型。結合對C、Co、Cr、Mn、Mo、Nb、Si、Ta、V、W及Zr等元素的實驗數據的最佳化加以驗證，並進一步預測Al、Fe、Ni、Ti的亞穩及非穩定晶體結構的熱物理性質，從而得到其晶格穩定性參數，並計算其隨溫度變化的相平衡以及溫度-壓力相圖。以期建立一套能夠準確擬合和計算物質從絕對零度到熔點、從常壓到高壓的各項熱物理性質的CALPHAD新方法。
結題摘要
傳統CALPHAD（即計算熱力學）模型是建立在Gibbs自由能基礎上的唯像模型，將溫度和壓力作為基本變數。目前絕大多數實驗數據只有常壓數據，在沒有壓力數據的情況下，往往忽略壓力項最佳化計算常壓下的熱力學性質。故傳統CALPHAD模型分別考慮常壓和高壓兩部分。這種模型雖然可以擬合寬廣溫度和壓力範圍內的大量實驗數據，但往往在高壓範圍內出現負熵和負熱容等現象。而且對於各種熱物理性質，各採用一套唯像參數來擬合，各套參數之間沒有聯繫。自2011年興起的“材料基因組計畫”，從科學思想上看就是要運用實驗-計算-數據相結合的方法，找到材料組分/工藝-組織-性能的內在底層聯繫，運用統一的模型和方法定量研究材料看似不相關的性質。本項目的重點側重於將熱力學性質和熱物理性能之間的物理關係模型化、定量化，從而保證外推和預測的可靠性。 本項目系統整理了文獻中關於純組元的各類熱物理性能的實驗數據（包括Ag、Al、Au、C、Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Mo、Nb、Ni、Si、Ta、Ti、V、W及Zr等），並補充測量了部分純組元的楊氏模量和熱容。運用Helmholtz-Debye-Grüneisen模型對具有面心立方結構的純金屬Ag、Al、Au、Pt和Pd，具有密排六方結構的Co和Ti，以及具有體心立方結構的金屬Mo、Nb和Ta的熱力學性質和熱物理性質進行了CALPHAD最佳化研究，並探討了金鋼石結構的Si的低溫性質。 這套方法只需要少量具有物理意義的模型參數，即可準確描述各純組元在不同溫度（0 K～熔點）和不同壓力下絕大部分熱力學性質（包括Gibbs自由能、熵和熱容等）和熱物理性質（包括體積、熱膨脹係數和彈性模量等），從而明確了材料的熱力學性質和熱物理性質的內在物理關係。 根據最佳化結果本項目對Debye-Grüneisen模型中的電子貢獻模型進行了完善。最佳化擬合結果表明，Morse狀態方程可以較好地適用於Helmholtz 自由能和Debye-Grüneisen模型對純金屬元素的最佳化擬合。 本項目研究的新CALPHAD方法，與國際上計算熱力學領域目前倡導建立下一代熱力學資料庫的思路不謀而合，並且更進一步地將熱物理性能和高壓模型結合起來。
