《揮發條件下溶質表面偏聚動力學的實驗和理論研究》是依託北京科技大學，由鄭磊擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：揮發條件下溶質表面偏聚動力學的實驗和理論研究
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：鄭磊
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
溶質的表面偏聚是影響材料表面性能的重要物理現象。實驗已證實，偏聚在表面的溶質會產生揮發，從而直接改變其表面偏聚動力學和材料表面性能。目前，絕大多數的研究結果直接忽略了揮發這一事實，未能深入探討揮發對表面偏聚動力學的影響規律，因而也未能真正掌握表面偏聚行為與材料表面性能之間的聯繫。由此，本項目針對前期實驗確定的Bi揮發特性，開展Bi在Ni-25ppmBi二元合金表面的偏聚和揮發實驗研究，掌握揮發對表面偏聚動力學的影響過程；然後基於實驗結果、正規溶液理論以及亨利定律，修正和完善申請人初步建立的“揮發條件下的溶質表面偏聚動力學”模型並推導相應方程，以此定量闡明揮發的影響機制；同時依據實驗結果和理論方程進行模擬計算，獲得重要物理參量（體擴散常數、體擴散激活能、晶界擴散常數、晶界擴散激活能等）的定量結果。本項目可在偏聚理論發展、材料表面改性以及材料純淨化等方面提供新的實驗結果、理論基礎和定量數據。
結題摘要
溶質的表面偏聚是影響材料表面性能的重要物理現象。實驗已證實，偏聚在表面的溶質會產生揮發，從而直接改變其表面偏聚動力學和材料表面性能。目前，絕大多數的研究結果直接忽略了揮發這一事實，未能深入探討揮發對表面偏聚動力學的影響規律，因而也未能真正掌握表面偏聚行為與材料表面性能之間的聯繫。由此，本項目針對前期實驗確定的Mg揮發特性，開展Mg在Al-0.67at%Mg二元合金表面的偏聚和揮發實驗研究，掌握揮發對表面偏聚動力學的影響過程；然後基於實驗結果、一階反應動力學理論以及亨利定律，建立“揮發條件下的溶質表面偏聚動力學”模型並推導相應方程，以此定量闡明揮發的影響機制；同時依據實驗結果和理論方程進行模擬計算，獲得重要物理參量（富集比、揮發參數、揮發激活能等）的定量結果。本項目提出了一個完整且合理的動力學模型。通過將模型邊界條件考慮為溶質原子在表面層的累積量等於在基體內的擴散通量與在表面層的揮發通量之差，建立了揮發條件下表面偏聚動力學方程，進而利用數學求解得到合理且可靠的揮發條件下表面偏聚動力學公式。通過揮發速率常數的一般表達形式和簡化形式賦予了揮發參數明確的物理意義。量化了揮發激活能，進一步揭示了揮發機制。擬合了Mg在Al-0.8wt%Mg中195℃時的偏聚動力學，獲得了擬合最好的富集比16.484和揮發參數0.575。此外計算得出Mg從合金表面揮發的揮發激活能為142.23kJ/mol，與Mg原子和Al原子間的鍵能（127.48kJ/mol）非常接近，揭示了Mg原子從吸附於表面的位置揮發。通過採取變換揮發速率常數簡化形式的方法，揭示了動力學方程無法反映出表面濃度最大值與溫度的變化規律這一問題的實質，即揮發參數不是與溫度無關的常數，而是隨著溫度的升高而減小的。本項目可在偏聚理論發展、材料表面改性以及材料純淨化等方面提供新的實驗結果、理論基礎和定量數據。
