金属微滴快速凝固的过冷度研究

建立了金属微滴快速凝固过冷度的数学模型, 分析了金属微滴快速凝固过冷度的影响因素, 并定义参数ζ = σ,_SL³/(T_LΔH²)为微滴凝固过冷度变化的影响因子. 研究结果表明, 金属微滴快速凝固的过冷度大小随着凝固条件不同而变 化, 并主要是由于影响因子随条件不同发生改变所致, 影响因子越大, 可获得的相对过冷度也就越大. 快速凝固微滴的固液界面能、结晶潜热等参数会随微滴凝固条件的变化而发生改变.     

自由落体条件下快速偏晶凝固

在落管自由落体条件下实现了Fe-48.8 % Sn 偏晶、Fe-40 % Sn 亚偏晶和Fe-58 % Sn 过偏晶合金的快速凝固. 对于直径范围在100 ~ 1000 μm 的Fe-48.8%Sn, Fe-40% Sn 和Fe-58% Sn 合金液滴, 最大过冷度分别为270, 282 和288 K. 液滴直径较小时, Fe-48.8% Sn 偏晶合金的微观结构呈现出均匀弥散分布的组织,当液滴中分散相直径为6 μm, 过冷度为30 K 时, Marangoni 迁移速率比Stokes运动速率快37 倍. 对于Fe-40% Sn 亚偏晶, 当液滴直径从1000 减小为100 μm时,其生长形态从柱状α-Fe 枝晶分布在富Sn 相基底上转变为α-Fe 颗粒分布在富Sn相基底上, α-Fe 枝晶的生长速度从0.45 增大到4.65 m/s. 对于Fe-58.8% Sn 过偏晶合金, 初生相α-Fe 枝晶的晶粒尺寸随过冷度的增加显著减小.     

深过冷Ni-Mo合金中Ni枝晶的快速生长

采用落管技术实现了Ni-39.3%Mo和Ni-45%Mo亚共晶合金与Ni-47.7%Mo共晶合金在不同过冷条件下的无容器快速凝固. Ni-39.3%Mo合金在深过冷条件下形成了初生Ni枝晶和共晶组织. 随着过冷度的增加, Ni枝晶发生组织细化, 枝晶间的间距L_g显著减小. Ni-45%Mo亚共晶合金中的初生Ni枝晶, 随着过冷度的增大由粗大的枝晶向等轴晶转变. 当过冷度小于43 K时, 液滴中形成许多碎断的Ni枝晶. 当过冷度在43~113 K之间时, 凝固时间小于枝晶熔断时间, Ni枝晶不再发生熔断, 形成呈辐射状的粗大枝晶. 当过冷度大于113 K时, 液滴中形成等轴晶, Ni固溶体与NiMo金属间化合物两相分离生长. Ni-47.7%Mo共晶合金凝固组织随着过冷度的增加由层片共晶组织向不规则共晶组织转变. 理论分析表明, 深过冷Ni-39.3%Mo, Ni-45%Mo和Ni-47.7%Mo熔体中, Ni枝晶的生长随着过冷度的变化发生了溶质扩散控制生长向热扩散控制生长的转变, 发生转变所需的过冷度ΔT_ct分别为66.6, 81.9和85.0 K. 随着合金中Ni含量的增高, Ni枝晶的生长发生动力学转变所需的温度T_ct逐渐降低.     

基于均匀金属微滴喷射的3D打印技术

均匀金属微滴喷射技术是基于喷墨打印的原理,于20世纪90年代初提出并发展起来的一种3D打印技术.它是以均匀金属微滴为基本成型单元,依据零件形状特征逐点、逐层"堆积"而实现三维结构的快速打印技术,具有喷射材料范围广、无约束自由成形和无需昂贵专用设备等优点,在微小复杂金属件制备、电路打印与电子封装以及结构功能一体化制造等领域具有广泛应用前景.由于金属材料具有熔点高、易氧化、粘性和表面张力大等特点,与非金属材料喷射沉积有很大差异.本文分析了金属微滴喷射方式及其机理,概述了此领域国内外研究现状,并结合笔者研究实践,阐述了金属微滴喷射沉积需要解决的关键技术及实例,如微滴喷射装置开发、喷射成型参数优化等,并对该技术的重点研究方向进行了展望.     

非平衡凝固条件下耦合弛豫效应的M-S理论

以扩展不可逆热力学为基础, 针对非平衡凝固过程中界面前沿液相中非平衡溶质扩散造成的弛豫效应, 对界面稳定性动力学M-S理论进行了修正. 发现在稳态条件下弛豫效应改变液相中的浓度场, 因而影响界面的稳定性. 通过界面前沿液相溶质浓度与温度的耦合关系, 综合考虑动力学过冷度以及与固液界面移动速率相关的液相线斜率等动力学因素的影响, 进而得到适用于非平衡凝固的平界面稳定性判据. 结果表明平界面的稳定性受与固液界面移动速率相关的液相线斜率影响, 但与动力学过冷度无关.     

多元Ti-Cu基合金非晶形成过程的分子动力学模拟与落管实验研究

采用DeePMD计算方法和落管快速凝固实验技术,研究了液态Ti_41.5Cu_37.5Ni_7.5Hf₅Sn₅Zr_2.5Si合金的非晶凝固机制.分子动力学计算结果显示,液态合金原子的总第一近邻配位数随系统温度的降低而增加,而Ti原子的第一近邻原子数则随着温度的降低而减少.同时,随着系统温度的降低,液态合金中二十面体和类二十面体团簇的数量显著增多,但中心Ti原子的比例却发生了衰减.在非晶凝固过程中, Ti原子表现出与大尺寸原子的弱亲和性和对二十面体团簇的弱构建性.在自由落体实验中,合金液滴所能达到的过冷度随液滴直径的减小而增大,其凝固组织主要由少量的富Cu相、极细的非规则(Ti₂Cu+TiCu)共晶和非晶相组成.当合金液滴直径减小至566μm时,合金凝固组织中开始出现非晶相,相应的临界过冷度?T_C为312 K (0.27TL).非晶相体积分数随着液滴尺寸的减小而增大.如果合金液滴直径小于317μm,晶体相的形核与生长被完...     

低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的结晶度及其影响因素分析

借助非等温结晶动力学理论模型,较为系统地研究了低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的温度和结晶度分布.研究结果表明,微液滴在经历相变温区时,呈现出表面区域结晶度最高,中间次之,中心区域最低的变化规律;且浓度越高,温度和结晶度分布越不均匀,如50%甘油微滴表面区域与中心区域温差为8K,但前者的结晶度大约是后者的41倍,而对于微水滴,两个区域的温差为1.10K,结晶度则相差6倍;微液滴体积对低浓度溶液的最终结晶度没有影响,只是延长了其冻结相变持续时间,如2和8μL20%甘油的相变时间分别约为14.48和19.82s;而对于高浓度溶液,没有明显的冻结相变温区,但呈现出体积越大,结晶度越高的变化规律,如2和8μL50%甘油的结晶度分别约为0.29×10~(-6)和0.80×10~(-6);随着低温保护剂浓度的增大,其相变温度会明显降低(水为273K,20%甘油为250K,50%甘油为225K,Vs55为158K),其最终结晶度也会显著降低,如20%和50%甘油溶液的最终结晶度分别为1和5.61×10~(-7),而Vs55仅有5.70×10~(-16).     

肝癌恒功率介入微波热凝固术的有限元模拟

介入微波热凝固疗法(invasive microwave coagulation, IMC)是一种新发展起来的治疗肝癌的方法. 具体讨论了恒功率IMC疗法. 对交替相控加热方式和一种大血管传热模型进行了三维的有限元模拟. 目的在于研究: 1) 介入微波交替相控加热的降低凝固区峰值温度和减小“过热区”大小的效能(有时峰值温度可高达140℃); 2) 模拟了大血管的生物传热模型, 以研究在IMC治疗中大血管对周围组织传热和热凝固区形态的影响. 并且将模拟结果和相应的活体猪实验结果进行对比. 研究的结果包括: (ⅰ) 交替相控加热方式能有效地降低凝固区的峰值温度, 并能缩小“过热区”的大小, 提高治疗的安全性; (ⅱ) 由于大血管冷却而造成的“过冷区”热量损失很大, 解释了为什么临床中在对靠近大血管的肿瘤进行IMC治疗前实施肝大血管阻断术是一种实用的方法; (ⅲ) 提出了大血管影响半径(Rev)参数, 为临床上进行大血管阻断术提供了理论依据.     

低温保护剂微液滴在液氮表面的Leidenfrost效应及分析

借助红外摄像和图像分析技术,并结合非等温结晶动力学模型理论分析,系统研究了微量低温保护剂溶液在液氮表面的Leidenfrost效应及其影响因素.研究结果表明:微水滴的相变温度最高(约273K),最大结晶度变化率达到3×10~(-2),最大运动速度值为100~130mm/s,但其Leidenfrost时间最短;随着低温保护剂浓度的增大,其相变温度降低(20%和50%甘油分别约为250和225K),结晶变化率显著减小(20%和50%甘油分别约为1.4×10~(-3)和7×10~(-7)),其最大运动速度值也会降低(20%和50%甘油分别为90~120和85~105mm/s),且Leidenfrost时间会随着浓度增大而增长;Vs55的相变温度最低(约158K),结晶度变化率最小(约2.8×10~(-16)),最大运动速度值降低到75~95mm/s,且其Leidenfrost时间最长(约是水的2~3倍);微液滴体积越大,其Leidengfrost时间越长,但对低浓度溶液(水和20%甘油)最大运动速度的影响不大,而对于高浓度溶液(50%甘油和Vs55)则是呈现出"体积越大,速度越快"的变化趋势.这些结论对于微液滴玻璃化保存生物样本方案的优化设计具有重要的指导意义.     

中国科学：E辑 第36卷2006年总目次

硕目作者MgHZ一v体系解氮能力的第一原理计算~一一~一·~··~·~~~~一~一·一周惦武彭平刘金水液态金属Al凝固过程中团簇结构的尺寸分布及幻数特性·一······一一~·一一·一一··~····~·~~·~一~·一一一····一·~一·一一·~··~一·，.一‘~一刘让苏刘凤翔盖科军郑采星刘海蓉彭平李墓永金属徽滴快速凝固的过冷度研究~·~一·······”·一~一一一~一一高玉来官万兵翟启杰徐匡迪镁合金AZ31焊接温度场的红外侧t和数值模拟一一~一~~一~~········一~·一~·一一··一····~····~4一~·~一一一，.…     

熔体过热对Sn—Bi40合金熔体结构转变及凝固组织的影响

以Sn－40wt％Bi合金为研究对象，探索了其在不同温度下恒温过程熔体电阻率随时间的变化规律，以及不同熔体状态与凝固行为及组织的关系．结果显示：在一定的临界温度以上，熔体保温相应时间后电阻率发生异常变化，提示熔体发生了结构变化；且随过热温度的提高，熔体结构转变所需“孕育期”愈短，转变速度愈快．凝固实验表明，一定过热度及相应保温时间所引起的熔体结构状态不同，导致凝固过冷度增大、晶粒明显细化且形态也发生改变．进一步的探索还表明，对应特定保温时间，凝固过冷度在一定的熔体过热温度下出现最大值．对上述现象的作用机理进行了简要的分析讨论．     

定向凝固下共晶合金中相的竞争生长

通过讨论定向凝固下共晶合金中各相的凝固界面温度, 获得了共晶组织凝固的速率区间. 分析了有初生相下不同凝固速率中共晶凝固组织对应的固相成分, 给出了共晶合金出现共晶晕圈组织和同时存在α 相、β 相和(α+β)共晶三者竞争生长的凝固条件. 对Sn-Pb和Al-Si共晶合金的计算结果表明, Sn-Pb共晶合金定向凝固下不存在α相、β相和(α+β)共晶三者同时竞争生长的凝固组织, 也不存在共晶晕圈组织, 但Al-Si共晶合金中这两类组织都有可能存在, 数值计算结果与实验结果基本吻合.     

微三角形槽道内非均匀定热流加热下的滑移流动换热

针对微三角形槽道, 利用正交函数法求解了滑移流区内带温度跳跃边界条件的能量方程, 理论分析了多种不同非均匀定热流密度加热条件下不可压缩气体在微三角形槽道内热充分发展滑移流动的换热特性, 获得了相应的温度分布及平均Nusselt数的计算式. 讨论了Knudsen数、微槽高宽比及不同加热边界条件对平均Nusselt数的影响. 计算结果表明: 正交函数法适用于微三角形槽道内滑移流动换热特性的分析计算; 在滑移流区, 微三角形槽道内的平均Nusselt数随Kn数的增加而减小, 但减小的幅度随微槽的高宽比和加热边界条件的不同而不同. 对微正三角形槽道而言, 相比单独底边加热条件, 两斜边加热条件下的换热性能在小Kn数时下降较缓, 在大Kn数时下降较大. 最后得到了非均匀加热边界条件下微正三角形槽道内平均Nusselt数的计算关联式.     

Ω型轴向槽道热管传热性能的实验研究

论文针对现有热管实验手段的不足，自行搭建了集加热系统、冷却系统、角度调节系统和温度测量系统于一体的Ω型轴向槽道热管传热性能实验台，考察了加热功率、工作倾角、冷却条件等因素对热管工作特性的影响。结果表明：实验所用热管水平放置时最大传热量较小，若改善冷却条件可提高热管的传热能力；当热管放置为重力辅助作用时，热管传热能力显著改善，反向放置时，热管无法正常工作。研究结果对于热管在飞行器中的应用研究具有参考价值。     

基于光诱导介电泳的微粒子过滤、输运、富集和聚焦的实验研究

在继承传统介电泳技术在微纳米生物粒子操纵领域优势的同时,如何提供动态可重构微电极并降低制作成本,成为解决介电泳技术应用中的瓶颈问题,而基于光电效应原理的光诱导介电泳的提出,为解决此问题提供了可行的方案.本文在设计制造光诱导介电泳芯片的基础上,搭建了基于光诱导介电泳操纵微粒子的实验平台,并对不同尺度的微粒子进行了过滤、输运、富集和聚焦等四种操纵功能的实现,同时并对各种操纵功能的性能进行了定量分析.结果表明,光诱导介电泳的操纵功能和操控性能与缩微光学图形的形状、尺寸、移动速度,激励信号的频率以及溶液电导率等参数相关.增加光线条宽度,一般能使操纵效率提高约50%以上,且聚焦时改变光线条倾角亦会明显影响聚焦效率.粒子的输运速率与捕获光圈的内半径和厚度成正比单调增加关系.粒子的最大同步速率与激励信号频率和溶液电导率成非线性关系,且在溶液电导率范围为5×10？4~5×10？3 S/m时具有良好的操纵性能和较高操纵效率.     

NbSi2在1023K氧化动力学和氧化行为的高温原位观察

利用高温金相显微镜对NbSi₂单晶和多晶在1023K的氧化行为进行氧化原位观察, 研究了微裂纹、疏松和晶界对NbSi₂氧化行为的影响. 结果表明, 电弧熔炼的多晶试样在1023K氧化一段时间后, 试样表面有裂纹萌生和扩展的迹象, 随后样品沿裂纹处断开, 而晶界和疏松处虽然也是氧化的优先部位, 却不会引起试样的开裂, 证明了试样中已存在的微裂纹是引起铸态NbSi₂氧化粉化现象的根本原因. NbSi₂单晶、放电等离子烧结(SPS)多晶和电弧熔炼多晶样品的氧化动力学行为与原位观察结果吻合.     

液相同时脱硫脱硝实验及反应特性

以NaClO2溶液为吸收剂,在自行设计小型鼓泡反应器中,进行了烟气同时脱硫脱硝实验研究,确定了最佳条件,获得了理想的同时脱硫脱硝效果.通过产物分析,提出了基于酸性NaClO2溶液的同时脱硫脱硝反应历程.利用热力学原理对NaClO2溶液同时脱硫脱硝的可能性和限度进行了计算.同时脱硫脱硝反应动力学实验研究表明,SO2和NO的氧化吸收过程都分为区间,即快速反应区和慢速反应区.位于慢速反应区时,两者皆为0级反应.而位于快速反应区时,SO2的反应分级数为1.4级,反应速率常数为1.22（mol·L^-1）^-0.4·s^-1,反应活化能为66.25kJ·mol^-1;NO的反应分级数为2级,反应速率常数为3.15×10^3（mol·L^-1）^-1·s^-1,反应活化能为42.50kJ·mol^-1.     

微波加热化学反应中热失控条件的定量研究

定量研究了在反馈控制系统中微波加热化学反应热失控的条件.首先,基于反馈控制原理导出了热失控的工程条件,给出了其数学定义.然后,通过对波导中进行的化学反应进行微波加热的仿真计算,定量研究了4种不同特性的化学反应在不同的输入微波功率的温升速率,讨论了尚未引起人们注意的热失控与传感器响应时间的相关性.     

干凝胶法制备惯性约束聚变靶用厚壁空心玻璃微球

为实现惯性约束聚变靶用厚壁（5～10μm）空心玻璃微球（Hollow Glass Microsphere,HGM）的干凝胶法制备,从数值模拟和工艺实验两个方面研究了玻璃配方发泡剂种类和含量、炉内载气组分、压力和温度对厚壁HGM制备过程及其壁厚的影响.结果表明,针对厚壁HGM在炉内成球过程中停留时间短的特点,需要对玻璃配方以高表面张力和低高温粘度为目标进行优化设计,需选用分解温度高和分解速率慢的发泡剂,并对发泡剂含量进行精确控制.提高载气中氩气的体积比例有利于增加HGM的厚壁.由于载气压力可调范围有限,提高载气压力不能显著增大HGM的壁厚.升高载气温度将减小HGM的壁厚,但有利于提高HGM的品质和合格率.当载气中氩气的体积分数在80%～95%、载气压力在1.0×105～1.25×105Pa、炉温在1600°C～1800°C时,能制备得到壁厚5～10μm、直径200～300μm的HGM,其球形度、壁厚均匀性和表面光洁度较好,但合格率还有待进一步提高.厚壁HGM的抗压强度、抗张强度和对氘气的渗透系数都随着壁厚的增大而逐渐下降.     

基于原子力显微镜的四氢呋喃水合物微观力学测试

微纳尺度下的水合物力学特性对厘清外荷载下孔隙中水合物与沉积物骨架相互作用机制以及揭示含水合物沉积物宏观力学行为机理具有重要意义.本文使用改装的低温原子力显微镜和直径5μm的二氧化硅(SiO2)微球胶体探针对四氢呋喃(THF)水合物进行了测试.在温度-30℃～-10℃和探针驱动速率0.5～20.0μm/s条件下,获得了微球压入THF水合物样品的深度、接触时间与接触力之间的关系以及微球与THF水合物样品间的黏附力.结果显示:压入过程中THF水合物产生了塑性变形,压入诱发的水合物相变可能进一步增强了塑性行为.在相同接触力作用下压入速率越小或温度越高, THF水合物的硬度越小且塑性行为越明显. THF水合物的屈服应力存在阈值(或者临界效应),这可能是导致含水合物沉积物应变硬化和应变软化现象的重要原因之一.基于修改后的幂率流变(PLR)黏弹性模型,低驱动速率和相对高温条件下THF水合物的黏弹性更显著. THF水合物表面的似液层和分解液在样品与微球间形成的液桥是两者间产生黏附力的主要原因,在温度-30℃～-10℃范围内黏附力约1.1～2.5μN,它主要与脱离前两者间的接触面积有关.