碳納米管中金屬熔體的結構演化及其凝固特性

《碳納米管中金屬熔體的結構演化及其凝固特性》是依託山東大學，由李輝擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：碳納米管中金屬熔體的結構演化及其凝固特性
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李輝
• 依託單位：山東大學

中文摘要

用高溫熔體物性測量儀、場發射電鏡及高分辨電鏡結合計算機模擬，研究Sn、Ga兩類金屬熔體在碳納米管中的結構及性質，探究碳納米管內金屬熔體凝固行為、凝固組織與巨觀塊體金屬的異同點；揭示碳納米管空腔的尺寸效應和限域效應對金屬熔體凝固特徵的影響。研究凝固過程中金屬熔體在納米空間中的結構演化規律。嘗試尋找金屬原子向碳納米管內填充的新方法和新工藝，獲取碳納米管的表面潤濕性與充填效果的對應關係，並製備金屬填充的碳納米管複合結構，為納米鑄造技術提供實驗參數和理論指導。本項研究中，理論模擬與實驗研究相互驗證，可增強研究結果的可靠性。研究結果將有助於揭示碳納米管中金屬熔體凝固過程的微觀物理圖像，對於利用納米鑄造技術開發和製備新結構材料具有重要價值。

結題摘要

研究受限熔體的結構特性及凝固行為，掌握受限空間對熔體結構及相變的界面效應，不僅能完善熔體的相變理論，對於發展材料製備與加工的先進技術也有非常重要的理論指導意義。 利用分子動力學模擬方法對受限空間內熔體的液液相變進行了深入研究，探討了受限空間、壓力以及牆體作用力對熔體結構的影響以及對液液相變的誘導作用；同時探究了二維金屬熔體在快速凝固過程中的結構演變規律，揭示了二十面體序與晶體中程式之間的演變關係。 系統地研究了受限空間中Si 納米線從3000 K 降溫至300 K 這一過程中的結構演變，分別探討了碳納米管尺寸、冷速及模板形狀對所得Si 納米線結構的影響。發現Si 納米線是由外層的晶體結構與內層的非晶結構分層組成。這種有序和無序結構的混合表現在雙體分布函式曲線上為第二峰劈裂。 著重研究了凝固過程中局域原子的結構演變規律和動力學特性。研究表明，我們發現徑向分布函式第二峰的劈裂是“環狀短程有序結構”和“FCC短程有序結構”在凝固過程中相互競爭的結果。這種生長競爭是造成準二維體系中晶體和非晶結構共存的主要原因。發現徑向分布函式第二峰的劈裂與原子排列中的短程式以及中程有序結構的比例分數有直接的關係。 研究了碳納米管中金屬的熔化特性及熔體結構特徵。發現了碳納米管受限空間中Al納米線具有三種熔化行為，這三種熔化行為由Al納米線的直徑和碳納米管的長度共同決定。 利用分子動力學方法深入研究了銅液滴和水在碳納米管和石墨烯表面的潤濕和形態演變行為，揭示納米尺度下液滴的潤濕與反潤濕機理以及金屬液滴的形態演變規律，提出利用受限空間實現液滴自發融合的新方法。材料表面液滴的形態演變、潤濕性及反潤濕行為取決於液滴的溫度以及襯底表面微結構和受限空間的尺寸。 本項目的研究成果揭示了受限熔體的相變特徵及團簇結構演變規律，為受限熔體的液液相變提供了理論依據，對於新型金屬材料的結構設計及製備有非常重要的指導意義。