金属熔体的结构与性质Ⅱ——液相线以上不高温度区间原子集团的演变

基于液态金属的微观不均匀性理论,建立了一个定量描述金属熔体结构信息的计算模型,该模型只需要固态金属的热物性参数及基本结构参数即可给出熔体结构的主要信息,包括激活原子的相对浓度、原子集团的尺寸及其内部包含近程有序原子数等.利用所建立模型计算了液相线以上不高温度区间铝、镍熔体的主要结构信息,计算结果与试验值符合较好.同时,分析了过热温度对第Ⅰ、第Ⅱ主族元素的熔体结构信息的影响,随着温度的升高,熔体结构信息发生规律性变化;讨论了原子序数对第Ⅰ、第Ⅱ主族元素的熔体结构信息的影响,对于第Ⅰ主族元素,熔体结构信息随着原子序数的增加而呈规律性变化,原因是第I主族元素的所有晶体结构均为bcc点阵排列,而对于第Ⅱ主族元素,熔体结构信息变化未呈现出显著的规律性,这主要是第II主族元素晶体结构的点阵排列呈hcp-fcc-bcc转变所致.这为深入认识金属熔体结构及预测熔体物性变化提供了有效的途径.     

金属熔体的结构与性质Ⅰ——固-液相变的剩余键数

基于金属的固-液相变机制和液态金属的微观不均匀理论,建立了熔化潜热、汽化潜热与熔点处金属熔体中的剩余键数、近程有序原子数之间的物理模型,并给出了该模型的数学推导和证明.该模型只需要晶体结构的基本参数及热物性数据就可以得到金属固-液相变后原子集团内的剩余键数和所包含的近程有序原子数,为进一步认识熔体结构信息提供了有效的途径.利用所建立模型计算了铝、镍熔体的剩余键数和近程有序原子数,计算结果与试验值吻合较好.同时,讨论了原子序数对第I、第II主族元素熔体的剩余键数和近程有序原子数的影响.     

Sn-Cu钎料液态结构与黏度分子动力学研究

应用基于MEAM势的分子动力学模拟,研究了Sn-0.7%Cu和Sn-1.8%Cu两种钎料在503~773K液态结构和黏度的变化规律.首先,通过模拟数据分别计算得出不同温度下两种钎料熔体的双体分布函数g(r)以及Cu元素和Sn元素在两种钎料合金中的均方位移,由均方位移得出自扩散系数,然后依据Stokes-Einstein方程计算出两种钎料的液态黏度,模拟计算液态黏度结果与实验数据基本一致.随着温度降低,黏度呈上升趋势,并且在黏度曲线上均出现跳跃点,以跳跃点为分界点,黏度曲线可以明显分为低温区和高温区.模拟得到的双体分布函数曲线符合热力学普遍规律,随着温度降低,第一峰和第二峰都变得更尖锐一些.     

Zr50Cu50金属玻璃形成过程中自由体积与玻璃态转变温度关系的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟了Zr50Cu50金属玻璃的形成过程,并获得了不同温度下合金的原子构型.借助金属玻璃中自由体积量等于金属玻璃与对应晶体的体积差理论提出一种自由体积湮没速度法,对Zr50Cu50金属玻璃形成过程中的临界玻璃态转变温度Tc以及热力学玻璃态转变温度Tg进行预测.用该方法确定出的Tc(969.5K)与利用模式耦合理论计算获得的Tc(978.4K)接近;Tg(731K)与利用平均原子体积随温度变化关系曲线确定的Tg(725K)相近.运用自由体积湮没速度法计算的Tc和Tg无需计算各温度下的原子扩散系数,节省了计算时间.     

Bi熔体粘滞性的非连续变化现象

金属熔体的粘滞性是液态金属原子迁移能力的一种表现，反映了原子间结合力的大小，是重要的熔体敏感物理性质之一，从中能得到许多关于液态结构的信息，同时也是重要的铸造工艺参数。Bi熔体的粘度一温度曲线关系表明，粘度随着温度的降低而增加，但并不连续，计算可知，高温区域的粘流活化能E值最小，低温区域的最大，中温区域的处于两者之间。随温度升高，流团尺寸vm在减小。结合DSC曲线分析认为，粘度异常变化区域是Bi熔体由不均匀向均匀原子结构非连续变化所引起的，与熔体中原子健的转变密切相关。     

Ｉｎ熔体的结构变化与粘度变化之间的联系

利用高温液态金属X射线衍射仪在280℃、390℃、550℃、650℃、750℃研究了In熔体的结构.实验结果表明,In熔体的平均最近邻原子间距和原子配位数随温度的升高而减小,原子团簇出现热收缩现象,且收缩在390～550℃温度区间内发生突变,收缩明显.利用回转振动粘度仪对In熔体在液相线以上不同温度进行了粘度测量,结果表明,随温度升高,In熔体的粘度降低,总体上呈现指数变化规律,在430℃和470℃附近出现异常变化.粘度出现异常变化的温度与其结构发生突变的区间一致,表明熔体粘度与熔体结构之间有着密切的联系.     

高压下金属Mo熔化性质与其熔化结构的理论研究

本文采用分子动力学结合镶嵌原子势方法研究了高温高压下金属Mo的熔化性质.详细分析了Mo的熔化曲线并给出了熔化曲线T-P(温度-压强)方程,计算得到了Mo的等温压缩曲线和等压曲线.理论上获得Mo在常压下的平衡点温度为2695K,与其他实验和理论数据都符合的很好.同时我们还通过径向分布函数和HA指数研究了Mo在熔化过程中的结构变化情况.     

In及In-1%Cu熔体团簇的"热收缩"现象

利用液态金属X射线衍射仪对纯In熔体及In 1 %Cu熔体分别在 2 80℃、390℃、5 5 0℃、65 0℃、75 0℃进行了实验研究 ,获得了二者的衍射强度、结构因子、双体分布函数、径向分布函数以及平均最近邻原子间距、原子配位数 .结果表明 ,随温度由 2 80℃升高到 75 0℃ ,两种熔体的平均最近邻原子间距r1 和原子配位数Ns都呈现出减小的趋势 ,原子团簇都出现“热收缩”现象 ,加 1 %Cu后的熔体团簇热收缩程度较之纯In熔体大 .在整个测试温度区间内两种熔体的热收缩都不是均匀的 ,而是在某个温度区间发生突变 ,收缩明显 ,纯In熔体的突变区间为390℃～ 5 5 0℃ ,In 1 %Cu熔体的突变区间为 2 80℃～ 390℃ ,加 1 %Cu后突变区间向低温转移     

纳米材料量子尺寸效应的理解及应用

在理解纳米材料量子尺寸效应的基础上,对久保提出的分立平均能级间距与热能的关系公式δ=4EF与温度T之间的关系公式d03<1.078×T 10-14n-31m3,由此讨论临界粒径d0与温度T之间的关系,并进而应用公式举例计算纳米级金属颗粒出现量子尺寸效应的临界粒径。     

温度对泡沫铝制备过程的影响

讨论了泡沫铝制备过程中温度的影响,理论上分析了温度与熔体黏度、表面张力和发泡剂的关系,并通过实验探讨温度对泡沫铝孔结构和孔隙率的影响。     

关于含化合物金属熔体结构的共存理论

从含化合物金属熔体的原子本性和分子本性(活度的负偏差、混合△G和△H显示最小值、过剩稳定性的突然升高、电阻率显示最大值和相图等)出发,提出了反映本熔体实际的原子和分子共存理论。根据此理论制定了不同金属熔体作用浓度(即实测的活度)的计算模型。计算结果与实际符合的事实证明共存理论恰当地反映了含化合物金属熔体的结构本质。     

Cu-Sn合金熔体的结构变化

利用高温熔体黏度仪和自主研制的液态金属磁化率测量仪测量了Cu₆₅Sn₃₅合金熔体的黏度、磁化率随温度的变化规律. 结果表明, 黏度和磁化率随温度的变化曲线均存在不连续点. 经过高温X射线衍射仪研究熔体结构, 发现在物性突变温度处合金熔体的相关半径、配位数也存在明显的变化, 这说明熔体的微观结构存在变化. 经分析认为在突变温度出现了类Cu₆Sn₅相的金属间化合物结构, 从而造成了结构的突变.     

重铬酸钾晶体低温热容的研究

用精密自动绝热量热计测定了重铬酸钾晶体在 10 0～ 390K温区内的摩尔热容 .结果表明在所研究的温度区间内重铬酸钾无相变发生 ,但其热容在不同的温度范围表现出不同的变化趋势 .在 10 0K≤T≤2 75K和 2 75K≤T≤ 390K区间内 ,其热容随温度的升高明显增大 ,在 2 75K≤T≤ 35 0K区间 ,其热容约为定值 .将重铬酸钾实验摩尔热容Cp ,m/JK-1mol-1对温度T/K拟合 ,其结果为 :10 0K≤T≤ 2 75 .5 6 4K ,Cp ,m=0 .0 0 4 9T2 - 1.0 0 77T +12 3.13;2 75 .5 6 4K≤T≤ 35 1.76 6K ,Cp ,m=2 0 9.17± 2 .32 ;35 1.76 6K≤T≤ 390K ,Cp ,m=0 .0 2 6 6T2 - 18.92 7T +35 70 .1.根据实验摩尔热容与温度的函数关系 ,计算了以 2 98.15K为标准的重铬酸钾的热力学函数的变化值     

Fe—C—O三元金属熔体作用浓度计算模型

根据含化合物的金属熔体结构的共存理论，推导了Ｆｅ－Ｃ－Ｏ金属熔体作用浓度计算模型。计算的Ｎｏ与相应的实测ａ０相符合，从而证明所得模型可以反映Ｆｅ－Ｃ－Ｏ金属熔体的结构本质。     

分子动力学研究难熔金属(V、Nb和Ta)熔点

根据分析型嵌入原子模型(MAEAM)和分子动力学(MD)方法,在NPT系综条件下从原子尺度上研究难熔金属V、Nb、Ta的内能、结构、密度等物理量随温度变化,并根据各物理量随温度突变得出3种金属晶体熔点分别为(2 180±20) K、(2 820±20) K、(3 280±20) K,所得到的结果与已有实验值吻合.本文根据径向分布函数随温度变化,从微观方面探讨金属熔化过程及其引起它们熔化原因,为进一步研究金属在高温条件下特异性能打下了基础.     

阳极涂层下铝电解槽温度场分布与工业实验研究

利用水流量平板法测定阳极涂层分别在820,870,920和1 020℃时的高温热导率,使用X线衍射仪分析经高温烧结后阳极涂层的物相组成;基于ANSYS计算平台,以电流为400 kA的铝电解槽为计算模型进行研究,建立应用阳极涂层的铝电解槽电-热场耦合计算模型,准确追踪炉帮位置并分析涂层对铝电解槽温度场分布的影响。研究结果表明:涂层在820～1 020℃时的热导率为0.2～0.4 W/(m·K),随温度升高而增大;应用阳极涂层的铝电解槽电-热场耦合计算模型后,熔体区槽壳平均温度下降11.3℃,主要原因是涂层使流经阳极侧部电解质中电流路发生改变,次要原因是炭渣量减少和电解质电阻率降低;阳极涂层的应用可以降低阳极毛耗,延长阳极使用寿命1 d;侧部温度槽壳的平均温度仿真结果与某铝厂实验结果基本一致。     

γ-Fe-Ni固溶体的价电子结构与α～x,α～T曲线

本文通过对面心铁镍固溶体的价电子结构分析及对不同温度下的铁镍固溶体a～x曲线、不同成分下的a～T曲线的计算,并根据固溶体的平均原子模型。对γ-Fe-Ni固溶体的磁效应进行了修正,给出了γ-Fe-Ni置换式固溶体的平均原子单键半径的经验关系式R~s(1)=(1-x)R~A(1)=xR~B(1)+k(T)(1-T/T)(?)(x)。在一级近似下,计算结果与实验值符合得很好。     

“金属-Si原子链-金属”纳米结点电子输运性质的计算

运用密度泛函理论结合非平衡格林函数,以5个Si原子构成的直线链,及其与2个半无限长Au(100)-3×3电极相连接构成的金属-原子链-金属"三明治"模型为研究对象,对该结构的纳米级结点的电子输运进行了计算.结果表明,在两极距离dz=1.95~2.39nm的拉伸过程中,结点电导值有数量级的变化.当dz=2.03nm时,结点的结合能最小(ΔE=-5.43eV),结点结构最稳定,原子链内部Si—Si键长平均值为0.216nm,此时结点的电导为0.44 G0(G0=2e2/h).Si原子的px与py轨道电子形成π键,构成了电子经过结点的主要传输通道;随着正负外偏电压的增大,电导减小,且成对称变化,其I-U曲线表现出非线性特征.     

金属熔体中程有序结构的演化及其遗传性

通过X射线衍射分析,人们发现金属熔体中不仅存在短程有序结构,而且存在中程有序结构。早在20世纪60年代,Steeb在Mg-Sn合金熔体结构的衍射研究中发现,该合金熔体在较大的成分浓度范围内存在尺寸较大的类固体Mg_2Sn结构。但人们当时还没有中程有序的概念。Hoyer及其合作者在Au-Ge合金熔体的衍射实验研究中发现,在Au_(72)Ge_(28)合金中,当温度低于两合金熔点时,在衍射矢量为13.5nm~(-1)处,结构因子曲线上存在明显预峰,预峰强度随温度的增高而减小,当温度高于1273K时,预峰消失。他们认为,预峰的存在表明熔体中存在中程有序结构。结构因子第一峰前的预峰,是熔体中中程有序的表征,这一点已被广大相关研究者所共识,并已成为研究热点。山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室是国内最早从事液态金属结构研究的单位,也是目前国内     

BCS-BEC过渡区原子费米气体的动态性研究

研究BCS-BEC过渡区原子费米气体依赖时间的Ginzburg-Landau方程的平面波解及其动态性。主要研究该方程各个系数a、b、c、d 之间的关系,以及原子费米气体的化学势？和能量阀值2v ,温度T 和极化率h之间的关系。