电脉冲作用下Al-22％Si合金的价电子理论研究

基于固体与分子经验电子理论（EET），计算了Al—22％Si合金熔体相价电子结构参数，研究了铝硅合金熔体基元键络对温度（能量）变化的敏感性及其对组织形态的影响．结果表明，低过热铝硅合金熔体中n4值较大的Si-Si团簇为过共晶铝硅合金初生硅形核提供了核心，对其周围的Al—Si团簇产生强烈的“类拖曳”效应；熔体温度的变化较明显地影响了该核心键络的稳定性，从而影响了组织形态；脉冲电场作用于合金熔体后，不可恢复地改变了Si-Si团簇键络稳定性，从而对合金凝固组织形态起到变质作用，施加电脉冲的能量越高，Si—Si团簇越不稳定，电脉冲孕育效果越显著．     

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．     

脉冲电场作用下合金熔体原子团簇尺度变化模型

应用电偶极子理论，模拟了过热合金熔体在脉冲电场作用下团簇附近电场强度分布，得出在脉冲电场及电偶极子电场耦合场强作用下，由于电迁移速度不同，致使原子团簇附近溶剂、溶质淤积，进而使小尺度团簇有可能通过重构而长大；应用静电感应原理，计算了团簇半体受力情况，得出大尺度原子团簇半体受到耦合电场力较强，团簇稳定性减弱．研究表明，熔体内原子团簇在脉冲电场作用下其尺度有均一化趋势，即某一尺度原子团簇占优．     

单个微米级SnAgCu金属微滴的大冷速快速热分析研究

利用最新开发的快速热分析技术,对Sn-3.0Ag-0.5Cu（wt%）合金微米尺度单个微滴的凝固过冷度进行了研究.该技术可以实现对单个金属微滴的高速加热和冷却处理,其加热或冷却速率可达到1×10^2～1×10^4K/s.由于单个金属凝固微滴在不同加热和冷却过程中始终保持为球状,基本上保证了颗粒的几何形状的稳定性,使得同一实验条件下微滴尺寸的影响因素可以剔除,初步解决了长期以来困扰快速凝固领域金属微滴凝固尺寸和冷却速率2个因素相互影响的问题,使得研究冷却速度和微滴尺寸对快速微滴凝固过程的独立影响成为可能.同时,本研究成功实现了大冷速条件下的金属微滴过冷度的原位检测,有别于以往仅靠理论计算估计快速凝固过冷度的研究.研究结果发现,随冷却速率的提高,微滴凝固的过冷度会随之增大.本实验条件下的最大原位过冷度可以达到116.9K,当冷却速度达到2×10^3K/s以上时,凝固过冷度会发生突变,但冷速一直提高到1×10^4K/s时,过冷度的提高幅度均不大,意味着仅靠冷却速率的提高无法获得大过冷的凝固条件.     

在二元合金过冷熔体中枝晶生长在远场来流作用下的稳态解

研究在二元合金过冷熔体中远场来流引起的对流对稳态枝晶生长的影响．在大Schmidt数和零表面张力的情形下，将纯熔体中远场来流引起的对流对枝晶生长作用的结果推广到受远场来流影响的二元合金过冷熔体中，利用多重尺度方法得到了稳态枝晶生长的渐近解，并分析了在对流的作用下枝晶生长的温度和浓度以及界面形态的变化．当熔体流动速度增大时，过冷度对枝晶尖端曲率半径的影响减小．与关于纯熔体的结果比较，二元合金过冷熔体中流动速度对界面形态有更大的影响，界面形状仍然是一个近似的抛物面，流动速度通过影响规范化参数使得系统的Peclet数倾向于进一步增加．     

单相合金凝固界面形态稳定非线性动力学理论

建立了单相合金凝固过程中固液界面扰动波振幅随时间变化的非线性动力学方程，解此方程，得到了在不同凝固条件下，随着凝固速度的增加，固液平界面失稳分岔后，胞枝晶开始稳定生长的条件，当固液界面向前推进速度较大即亚快速和快速凝固条件下，粗枝晶失稳分岔后，细支晶细胞晶开始稳定生长的条件，同时得出了稳定态胞晶、枝晶尖端的半径、固液界面干扰波的振幅和波长三者之间的关系式。     

纳米团簇晶体的制备和结构研究

利用表面调制“幻数团簇”的方法制备出Al、Ga和In的纳米团簇人造晶体。这种方法是用Si(111) 7× 7表面作为“模板”生长尺寸相同和分布有序的纳米团簇。通过扫描隧道显微镜 (STM )原位分析结合第一性原理计算确定了金属纳米团簇的原子结构以及这些结构的形成机理。我们的研究表明对生长动力学的精确控制是制备团簇晶体的关键所在。此外 ,这种方法并不局限于制备某一种金属团簇。人造纳米团簇具有高的热稳定性和独特的结构使它们有希望在实际中得到广泛的应用。     

定向凝固多晶硅中细晶产生的原因分析

铸锭多晶硅是目前最主要的光伏材料，其结晶组织的形貌对太阳能电池的转换效率有着显著的影响．粗大均一的晶粒有利于得到高质量的硅片，从而提高电池转化效率．而在多晶硅锭的中心区域经常发现晶粒尺寸小于1mm2的细晶，其电学性能较差，影响该部分硅片的质量．本文设计了两种不同结构的热场，利用计算机仿真技术和实验测量，结合组分过冷理论，对细晶形成机理和影响因素进行了探讨．研究表明，提高结晶界面前沿熔体的温度梯度与结晶速度的比值G／V、增强界面前沿熔体的对流强度，并维持较为平坦的结晶界面，有利于避免细晶的产生．     

液态金属Α1凝固过程中团簇结构的尺寸分布及幻数特性

采用分子动力学方法,对含有100000个Al原子的液态金属系统在快凝过程中团簇结构的形成及幻数特性进行了模拟研究,采用原子团类型指数法(CTIM)描述了各种类型的团簇结构组态.模拟结果显示:在凝固过程中,二十面体原子团(120120)及其组合在微观结构转变中起着最重要的作用;由不同数目基本原子团的不同组合所形成的不同层次的团簇结构,其尺寸分布具有明显的幻数序列,依次为13(13),19(21),26~28(27),32~33(32),39~40,43~44,48,······等(括号内为液态时的对应值),它们分别依次与由1,2,3,4,5,6,7,······个基本原子团的不同组合所形成的该层次的团簇数的峰值位置相对应.本幻数序列与Harris,Echt及Schriver等人的实验结果相符.     

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.     

液态金属A1凝固过程中团簇结构的尺寸分布及幻数特性

采用分子动力学方法, 对含有100000个Al原子的液态金属系统在快凝过程中团簇结构的形成及幻数特性进行了模拟研究, 采用原子团类型指数法(CTIM)描述了各种类型的团簇结构组态. 模拟结果显示: 在凝固过程中, 二十面体原子团(12 0 12 0)及其组合在微观结构转变中起着最重要的作用; 由不同数目基本原子团的不同组合所形成的不同层次的团簇结构, 其尺寸分布具有明显的幻数序列, 依次为13(13), 19(21), 26~28(27), 32~33(32), 39~40, 43~44, 48, …… 等(括号内为液态时的对应值), 它们分别依次与由1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, ……个基本原子团的不同组合所形成的该层次的团簇数的峰值位置相对应. 本幻数序列与Harris, Echt 及Schriver 等人的实验结果相符.     

SnBi／Cu界面Bi偏聚机制与时效脆性抑制

长期时效的SnBi／Cu界面出现的Bi偏聚导致的界面脆性大大限制了Sn．58Bi低温无铅焊料的使用，因此有必要在理解其产生机制的基础上研究抑制界面Bi偏聚及时效脆性的方法．本文首先根据SnBi／Cu焊接界面在液态反应（回流焊接）和固态时效过程中的Bi偏聚行为讨论了偏聚形成的机制，而后阐述了Cu基体合金化和回流温度对Bi偏聚行为的影响，并讨论了合金化抑制Bi偏聚的微观机制．此外还比较了SnBi／Cu和SnBi／Cu．X焊接接头的拉伸、疲劳性能和断裂行为，证明了在消除界面Bi偏聚之后SnBi／Cu界面在拉伸和疲劳载荷下均不会出现脆性断裂，最后基于以上理解提出了消除界面脆性的新工艺方法     

共晶Co79.5Sn20.5合金的液态结构及其液固相关性

利用高温液态X射线衍射仪研究了共晶Co79.5Sn20.5合金熔体的液态结构. 研究表明, 对Co79.5Sn20.5合金熔体而言, 从1350℃至1150℃的温度范围内, 组成该熔体的原子团簇结构稳定, 熔体有序度随着温度降低有所提高. 同时利用“纳米晶粒模型”研究了该合金的液固相关性, 指出该合金熔体是由b Co3Sn2原子团簇和b Co原子团簇2种短程有序结构组成, 其液态结构和固态结构具有很好的一致性.     

快速凝固过程中的多定态与非晶转变

注意到非晶转变实际上是在严重的非平衡凝固条件下发生的一种物理现象，运用非线性理论分析了快速凝固条件下的非晶转变的动力学过程，并建立了非晶转变的分支理论模型，结果表明：由于冷却条件严重的非平衡性及凝固速度与凝固温度之间的非线性耦合，在快速凝固条件下，凝固纱可产生多定态现象，而这种多定态现象可以被理解为非晶转变，该交好地解释发生非晶转变时的实验特点，并能预测金属及合金形成非晶的临界冷却速度及非晶转变点     

利用落管研究微重力环境对中低熔点合金凝固过程的影响

利用50 m落管对Al-Ni、Al-Cu、Ag-Cu、Al-Pb和Cu-Co等几种合金在真空下自由落体前后的硅油快淬凝固组织进行了对比研究, 分析和讨论了微重力对中低熔点共晶、偏晶和包晶合金凝固过程的影响. 研究结果表明, 微重力对共晶合金共晶胞的生长形貌、晶胞内共晶相的生长形貌及共晶层片间距的影响因合金体系不同而不同; 微重力使Al-Pb过偏晶合金中Pb粒子的尺寸和分布发生重大变化; 微重力还使Cu-Co包晶合金中初生α-Co相的生长形貌发生改变. 此外, 研究还发现Al-Al₃Ni共晶在落管中凝固时呈现出罕见的规则颗粒状共晶形貌. 这些结果对于人们进一步认识和分析微重力条件下复相合金的凝固行为具有参考价值.     

Sm3(Fe,Ti)29Nx/α-Fe双相纳米耦合永磁材料的制备

研究了熔体快淬工艺及添加元素Ti对Sm—Fe合金相的形成及结构的影响，成功制备了Sm3（Fe，Ti）29Nx／α-Fe双相纳米耦合永磁材料．研究发现，快淬薄带由Sm3（Fe，Ti）29和α-Fe两相组成，晶化前在纳米晶周围存在部分非晶相，晶化后的晶粒间晶界平直光滑、且晶粒间结合紧密没有界面相，为晶粒间直接接触耦合．对甩带后的样品采用750℃保温10min的晶化退火得到的颗粒比较细小且均匀．氮化磁粉磁滞回线的第二象限没有出现明显的台阶，表现为单相永磁材料的特点，说明硬磁相Sm3（Fe，Ti）29M与软磁相α-Fe晶粒之间的交换耦合作用已形成．     

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...     

银纳米线初始结构对拉伸形变和断裂分布的影响

采用分子动力学方法模拟了4种初始结构的银纳米线沿[1 1 1]晶向拉伸的行为.考察了初始结构对位错产生和发展的影响,并进一步讨论其与最终断裂位置分布的关系.结果显示,单晶银纳米线的初始位错产生于表面并向两端发展,滑移面到达固定层后受阻,产生反射.应力持续集中于纳米线两端,进而产生颈缩,并最终导致在两端近似对称的断裂分布.与其相比,单孪晶界阻碍滑移发展,缩短了塑性形变的过程.位错在孪晶界迅速聚集形成局域熔融团簇,进而形成颈缩,而体系的其他位置则没有足够的应变响应时间,因此断裂集中在孪晶界,并呈理想的高斯分布.相对能量较高的小尺寸缺陷对纳米线初始位错的产生和发展无明显影响,仅在形变中期起到加强作用.单晶中的小尺寸缺陷没有改变应力分布,其对断裂分布的相对峰高略有影响.含缺陷的孪晶纳米线中,两者相互作用加强了应力集中,使最终断裂位置分布的半峰宽变窄.不同初始结构对金属纳米线的影响呈多样性,其相互作用的强弱也与具体微结构密切相关.     

旋转磁场对Pb-Sn合金凝固组织的影响

对比研究了常规条件下和旋转磁场条件下Pb-50%Sn, Pb-58%Sn亚共晶合金和Pb-64%Sn, Pb-68%Sn过共晶合金凝固组织的形貌特征, 发现旋转磁场具有消除宏观偏析、碎断和细化枝晶、加快固液界面的溶质扩散速度以及在合金中产生团状组织等作用. 分析认为宏观偏析的消除、枝晶的碎断和细化以及溶质扩散速度的增大主要是由旋转磁场引起的熔体内部复杂流动导致的, 而团状组织的出现主要是由熔体流动引起的浓度场和温度场均匀化导致的.     

Fe基纳米晶晶化机理的AFM研究

用原子力显微镜(AFM)观测经不同温度退火的Fe基合金薄带(Fe_73.5Cu₁Nb₃Si1_3.5B₉)断口形貌, 结合XRD衍射晶体分析技术和综合他人已有研究结果, 分析了Nb和Cu在Fe基合金薄带退火过程中的作用机制. 提出了包裹晶颗、Nb空位团、Nb-B原子群等新概念, 并利用这些新概念描述了α-Fe(Si)纳米晶形成的机制, 从而建立了Fe基纳米晶合金由分隔相、包裹相和纳米晶相组成的三相互套结构模型.