MgH2-V体系解氢能力的第一原理计算

基于MgH₂-5%(原子数分数)V机械合金化检测到VH_0.81/MgH₂相界的实验结果, 构建了一个VH/MgH₂相界模型, 然后采用第一原理赝势平面波方法, 研究了V对MgH₂解氢能力的影响及其电子作用机制. 结果显示: 合金化后形成的VH/MgH₂相界比MgH₂相的结构稳定性差, 表明VH相的存在能改善MgH₂相的解氢能力. 电子态密度(DOS)和电子密度图的分析发现: V对MgH₂相解氢能力的增强主要源于V诱导VH/MgH₂相界Fermi能级E_F处电子密度N(E_F)的增加和E_F附近HOMO-LUMO能隙ΔE_H-L的消失, V对MgH₂解氢动力学的催化作用可归因于V-H间电子相互作用比Mg-H间强, α-Mg形核在MgH₂-V体系的VH/MgH₂相界中比在MgH₂相中容易.     

铁基合金fcc(γ) → hcp(ε)马氏体相变的形核能垒

基于位错理论和Olson等人提出的层错能模型, 考虑到外加应力场的作用, 建立了fcc(g )→hcp(e )马氏体相变在小角度晶界处形核时, 胚核尺寸与能量之间的关系模型. 用此应用模型讨论了温度、切应力以及晶界位错密度对FeMnSi基合金中fcc(γ) → hcp(ε)马氏体相变形核的影响. 结果表明, fcc(γ) → hcp(ε)相变形核过程中存在着一些特征尺寸的胚核: 亚临界胚核和临界胚核, 它们之间的能量差构成了马氏体相变的能垒. 这些特征胚核的尺寸将随着外部条件(应力和温度)的改变而变化, 随着温度降低, 切应力增加将使临界胚核尺寸变小, 直至最终能垒消失. 基于上述讨论, 从动力学的角度讨论了M_S点及临界切应力τ_c诱发fcc(γ) → hcp(ε)相变的能量条件, 解释了在MS点处合金的层错能不为零的实验结果. 另外, 小角度晶界处位错密度的增加, 也有利于hcp相形核.     

合金非调质钢终轧冲击功的理论计算

利用合金相最强键上的共价电子数n_A、相界面的最小电子密度差Δρ 及使界面电子密度保持连续的原子状态组数σ(σ′), 结合热连轧工艺, 在Si-Mn非调质钢终轧冲击功计算的基础上, 又探讨了含Cr, Ni, Mo, W, Cu, V, Nb和Ti非调质钢冲击功的计算. 结果表明, 合金非调质钢终轧冲击功强烈地依赖于强化机制. 固溶强化、界面强化、珠光体析出强化和弥散强化将引起终轧冲击功的降低. 细化强化、V, Nb和Ti在α-Fe-C-V(Nb, Ti)中的析出强化及含Ni奥氏体在α-Fe-C-Ni边界上的陈留将使冲击功增加, 其增加或减量可由n_A, Dr, σ(σ')及合金元素的权重进行计算. 将提出的终轧冲击功计算公式与已有的非调质钢终轧抗拉强度σ_b、屈服强度σ_s、伸长率δ 计算公式联立求解, 其值与生产现场实测值相符合.     

温度对铁基合金层错能的影响

温度是影响铁基合金层错能的一个重要因素,随温度的增加,置换型或间隙型合金的层错能随之增加. 从层错能的热力学模型推导出dγ₀/dT的理论计算式,从而建立了dγ₀/dT的定量关系: dγ₀/dT=(dγ^ch/dT) +(dγ^seg/dT)+(dγ^MG/dT) ,计算所得的dγ₀/dT值与测量值符合.化学自由能对层错能起正向作用,且大于磁性和偏聚的作用. 磁性和合金元素在层错区的偏聚均降低合金的层错能,dγ^MG/dT<0, dγ^seg/dT<0, 其影响随温度的增加而减小.基于dγ₀/dT,合理解释了在热力学平衡温度(T₀)合金的层错能并不为零以及T₀两侧层错能均为正值的实验结果.     

金属纳米晶的相稳定性

根据热力学平衡条件, 建立了金属纳米晶的相平衡方程. 应用Fetch和Wagner的界面膨胀模型以及Smith和其合作者建立的普适状态方程, 对纳米晶界面的热力学量进行计算, 由此获得金属高温相可在较低的温度下存在的临界尺寸. 通过对元素Co的β相(fcc结构)和α相(hcp结构)纳米晶Gibbs自由能的计算表明, β相可在室温存在的临界尺寸和纳米晶界面处的过剩体积(ΔV)有关. 当ΔV 取10%时, β相应在35 nm以下稳定存在. 与Katakimi的实验较为符合. 对影响βCo稳定性的因素也作了讨论.     

镍金属中氢掺杂的电子结构

利用第一性原理数值方法,研究了掺H, H⁺和H^-面心立方Ni的电子结构. 在所用的两个团簇模型中,H作为间隙原子（或离子）分别占据八面体和四面体中心. 计算表明,前者被优先占据. H, H⁺和H-仅与第一近邻Ni原子形成化学键,键间由于电子转移彼此差别较小.团簇掺H⁺时不足的电子和掺H-时多出的电子基本上由较远的Ni原子提供和吸收. 掺杂大大减弱了其第一近邻原子间的相互作用,却只稍稍改变第一近邻、第二近邻间的相互作用. 这是H掺杂局域作用的表现,与氢脆密切相关.     

E非均质形核润湿角数学模型研究

分析了非均质形核润湿角, 根据均质形核和非均质形核的动力学条件, 推导了非均质形核的润湿角模型. 利用润湿角模型计算了铁液非均质形核过程中不同形核剂的润湿角, 计算结果表明大部分形核剂的润湿角都小于40°, 而f(q)的值远远小于1. 在一般的形核剂中, TiN, TiC和Re₂O₃的润湿角较小, 而MnO的润湿角较大. 本模型计算出的润湿角与其他研究结果一致.     

块体非晶合金中的化学短程序畴与玻璃形成能力预测

利用HREM和纳米束衍射技术证实了在Zr_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅块体金属玻璃中存在1~3 nm大小亚稳F-Zr₂Ni型和稳定四方晶系的Zr₂Ni型结构的短程有序区. 在此基础上发展了化学短程有序畴(CSRO)结构的概念, 建立了计算CSRO摩尔分数和含CSRO熔体热力学状态函数的模型和方法. 计算了Ni-Zr, Cu-Zr, Al-Zr, Al-Ni, Zr-Ni-Al和Zr-Ni-Cu合金系中各CSRO摩尔分数, 并得到了这些合金的ΔG_CSRO, ΔH_CSRO和TΔS_CSRO等热力学参数, 根据最大ΔG_CSRO原则预测了上述合金系的最佳玻璃形成能力(GFA)的成分范围. 这些计算结果与已有的Ni-Zr和Cu-Zr系非晶晶化激活能和Zr-Ni-Al系ΔT_x的实验数据相吻合, 与Zr-Ni-Cu薄带的X射线衍射结果也符合得很好. 基于CSRO模型的动力学计算表明, 在最佳GFA成分范围内, Zr-Ni-Cu基合金的非晶形成临界冷却速度为~100 K/s量级, 符合目前制备块体非晶的实际冷却速度水平.     

3Y-TZP悬浮体系二元、三元稳定性工作区间

用黏度法测定了不同固相含量(体积分数, φ)在分别改变分散剂用量(质量分数, C_w)时, 3Y-TZP悬浮体系的黏度(η)变化规律; 用光散射法测量了不同C_w下稀悬浮体系中粒子的直径; 用扫描电子显微镜(SEM)摄取了悬浮体系沉积物的表面形貌. 由前述结果, 分析和讨论了粒子吸附层微观结构的变化和它们间相互作用对分散相粒子稳定性的影响, 给出了3Y-TZP 悬浮体系稳定性的不同分散状态: 两种稳态及两种非稳态, 绘制了悬浮体系的C_w-η, C_w-φ和φ-η二元及C_w-φ-η三元稳定区间工作图. 根据DLVO理论, 计算、绘制了不同φ条件下, 3Y-TZP悬浮体系的分散剂用量C_w, 粒子间距r, 粒子间作用势能V_T三元曲面势能图和C_w-r二元粒子运动稳定区间工作图. 由前述三元曲面势能图计算并模拟了悬浮体系的C_w-φ-V_T,max(粒子间最高相互作用势垒)三元最高势能图和C_w-φ稳定区间工作图. 结果表明, 该理论工作图能较好地定性证明3Y-TZP 悬浮体系中分散相粒子不同分散状态的存在, 及悬浮体系稳定性随各参数的变化规律.     

磁场直拉硅单晶生长

研究了磁场直拉硅单晶生长. 采用钕铁硼(NdFeB)永磁磁体, 向硅熔体所在空间引入Cusp磁场. 当坩埚边缘磁感应强度达到0.15 T时, 熔硅中杂质输运受扩散控制. 熔硅自由表面观察到明显的Marangoni对流; 硅单晶纵向、径向电阻率均匀性得到改善; 控制Marangoni对流, 可灵活控制硅单晶中的氧浓度. 把磁场拉晶同硅单晶的等效微重力生长联系起来, 推导出了引入磁感应强度和对应等效微重力等级的关系式: g=v₀/v_eff·g₀, 并针对坩埚的两种特征尺寸, 进行了直拉硅单晶等效微重力等级的计算.     

考虑对流换热因素的阶形脉冲激光加工热过程解析解及实验验证

材料的激光加工热过程是涉及激光束、工件及周围环境相互作用的复杂热交换问题, 特别是对流换热边界条件的变化将对温度场分布及加工质量产生很大影响. 而以往的温度场求解中, 对流换热条件基本都被简化或忽略, 直接影响了温度场及后续流场、应力场的计算准确性和精度. 研究了考虑对流换热边界条件的材料表面脉冲激光加工热过程, 通过Laplace变换的方法求解出物体温度场分布的解析解, 对无量纲参数进行了适当地设置和定义, 研究了无量纲距离x′、无量纲时间τ、表面无量纲能量吸收M及Biot数Bi与温度分布(无量纲温度T ′)之间的相互关系. 通过分析表明, 随着Bi值的增大, 外界的对流换热作用越来越强烈, 使得温度最大值所处位置偏离开材料表面, 逐渐向内部偏移. 采用红外测温的方法对解析解模型进行了实验验证, 取得了较为理想的结果.     

MgH2-V体系H原子的扩散与吸附性能研究

基于MgH₂-5at%V机械合金化检测到VH_0.81/MgH₂相界的实验结果, 采用第一原理赝势平面波方法, 研究了MgH₂-V体系H原子的扩散与吸附性能. 结果显示: V合金化MgH₂形成VH/MgH₂相界, 靠近VH相区域的H原子形成的空位比未合金化时稳定, 而靠近MgH₂相区域的H原子形成的空位则不及未合金化时稳定; V合金化后, MgH₂-V体系中H原子在扩散过程中最大迁移屏障能较未合金化时减少, 即MgH₂-V体系较MgH₂相而言, H原子在其中更容易扩散; 对VH相而言, 容易形成V空位; 与H替代VH相中V原子相比, H原子更易以间隙位存在; 对于H原子通过VH/MgH₂相界的迁移, 以H原子占据VH相中的V空位时, 最为有利, 其次是H原子占据间隙位, 再次是H原子替代V原子位; 对VH不同表面吸附H而言, 物理吸附比化学吸附更容易发生, 与靠近MgH₂相区域表面吸附H比较, 靠近VH相区域表面H更容易被吸附.     

AlGaN势垒层应变弛豫度对高Al含量AlxGa1-xN/GaN HEMT性能的影响

采用数值算法自洽求解Poisson和Schrödinger方程, 计算了AlGaN势垒层的应变弛豫度对高Al含量AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）中的导带结构、电子浓度以及二维电子气(2DEG)薄层电荷密度的影响. 利用所获得的精确薄层电荷密度与栅电压的关系, 采用非线性电荷控制模型解析求解了应变弛豫度对Al_xGa_1-xN/GaN HEMT直流输出特性的影响. 计算表明, 应变弛豫度为0时所获得的Al_0.50Ga_0.500N/GaN HEMT的最大二维电子气薄层电荷密度为2.42×10¹³ cm^-2, 最大漏电流为2482.8 mA/mm; 应变弛豫度为1时所获得的最大二维电子气薄层电荷密度为1.49×10¹³ cm^-2, 最大漏电流为1149.7 mA/mm. 模拟结果同已有的测试数据相比, 符合较好. 对模拟结果的分析表明, 对高Al含量的AlGaN/GaN HEMT进行理论研究时需要考虑应变弛豫度的影响, 减小AlGaN势垒层的应变弛豫度可显著提高器件的性能.     

天然掺杂铁氧体的电磁参数调控机制分析及其在吸波材料中的应用

对不同地质产状类型天然铁氧体的电磁参数测量结果发现, 岩浆岩型(A型)天然铁氧体的电磁参数明显区别于其他类型铁氧体, 是一种可用于微波吸收材料的天然矿物. 该矿物经选矿工艺制备后, 在8~12 GHz频率范围内, ε′ =58.60, ε″=10.0, μ′=1.2~1.5, μ″=1.0~1.2, 属于具有一定磁导率、低介电常数、高电磁损耗的磁性物质, 其粉体适合作为吸波材料的磁性吸收剂. 对A型天然铁氧体的矿物组成和化学成分的分析结果表明, 与单一磁铁矿或二元型铁矿物组成的天然铁氧体相比, A型天然铁氧体中的杂质元素和另相矿物含量明显高于其他天然铁氧体, 其中的杂质成分对电磁参数起着重要的调控作用, 这种调控作用有利于降低吸波材料的反射系数, 并提高电磁波吸收效率. 而且, A型铁氧体中的这种天然掺杂导致的结构缺陷及其对电磁参数的影响效应是人工制备的铁氧体难以实现的. 材料应用试验与吸波性能测量结果表明, 以A型天然铁氧体作为粉体填料与天然橡胶制成的吸波片材在8~12 GHz频率范围内的电磁波吸收频宽和反射系数均优于传统的羰基铁粉与橡胶制成的吸波片材, 完全可以替代羰基铁粉应用于微波吸收材料的开发, 而且具有原料丰富、制备工艺简单、成本低、吸波性能稳定的比较优势.     

磁控溅射NiO/NiFe薄膜的磁性及XPS研究

用射频/直流磁控溅射制备了 Ta/NiO_x/Ni₈₁Fe₁₉/Ta磁性薄膜, 并利用X射线光电子能谱仪(XPS)和振动样品磁强计(VSM)研究了NiO_x不同化学状态对Ni₈₁Fe₁₉交换耦合场H_ex及该磁性薄膜的矫顽力H_c的影响以及Ni₈₁Fe₁₉界面反应. 结果表明：反应溅射中的Ar/O₂比对NiO_x中镍的化学状态有很大的影响, 当溅射气压为0.57 Pa, Ar/O₂为7:1时, 制备的NiO_x中的x@1, 镍为+2价, 相应的H_ex最大. Ar/O₂比偏离7:1时, NiO_x层中出现单质镍和+3价的镍, 相应的H_ex也下降, 单质镍的出现还会增大该磁性薄膜的矫顽力H_c. XPS的分析还表明, 在NiO/NiFe界面发生了反应:NiO+Fe=Ni+FeO和3NiO+2Fe=3 Ni+Fe₂O₃. 给出了界面上存在磁性杂质的证据, 这些磁性杂质会影响NiO/NiFe的H_ex和H_c.     

钴离子注入硅化钴的形成和微波功率管制备的特性

用大束流密度的钴金属离子注入硅能够直接合成性能良好的薄层硅化物. 束流密度为0.25~1.25 A/m², 注入量为5 × 10¹⁷ cm^-2. 用透射电子显微镜(TEM)和电子衍射(XRD)分析了注入层结构. 结果表明随束流密度的增加, 硅化钴相生长, 薄层硅化物的方块电阻R_S明显下降. 当束流密度为0.75 A/m²时, R_S明显地下降, 说明连续的硅化物已经形成. 当束流密度为1.25 A/m²时, 该值达到最小值3.1 W. XRD分析表明, 注入层中形成了3种硅化钴Co₂Si, CoSi和CoSi₂. 经过退火后, R_S进一步地下降, RS最小可降至2.3 W, 说明硅化钴薄层质量得到了进一步的改善. 大束流密度注入和退火后, 硅化钴相进一步生长, Co₂Si相消失. TEM对注入样品横截面观察表明, 连续硅化物层厚度为90~133 nm. 最优的钴注入量和束流密度分别为5 × 10¹⁷ cm^-2和0.50 mA/cm². 最佳退火温度和退火时间分别为900℃和10 s. 高温退火(1200℃)仍然具有很低的薄层电阻, 这充分说明硅化钴具有很好的热稳定性. 用离子注入Co所形成的硅化钴制备了微波功率器件Ohm接触电极, 当工作频率为590~610 MHz, 输出功率为18~20 W时, 同常规工艺相比, 发射极接触电阻下降到0.13~0.2倍, 结果器件的噪声明显地下降, 器件质量有了明显的提高.     

Si-Mn非调质钢终轧冲击功的理论计算

用合金相最强键上的电子数n_A、合金相界面的最小电子密度差Dρ及使界面电子密度保持连续的原子状态组数σ, 结合热连轧工艺, 计算了Si-Mn非调质钢终轧冲击功α_k. 计算表明, 固溶强化、析出强化、界面强化将引起终轧冲击功α_k的降低. 界面上使电子密度保持连续的原子状态组数σ 对α_k的影响则不同, 以α-Fe和α-Fe-C相界面α-Fe/α-Fe-C上的冲击值与电子密度的连续组数σ₀为参考值, 当某界面的σ＞σ₀时, 该界面产生冲击值的增加, 而σ＜σ₀时, 冲击值将降低. 于是可由终轧后细化了的α-Fe基体冲击值与固溶强化、析出强化、界面强化以及使界面电子密度保持连续的原子状态组数σ 引起冲击值变化计算出终轧冲击功α_k. 计算结果与生产实测值符合较好. 同时也讨论了S对冲击功值的影响.     

电磁分离铝熔体中非金属夹杂的磁流体动力学研究

采用量纲分析和数值计算相结合的方法研究了电磁场作用下铝熔体中非金属夹杂附近的磁流体动力学流动以及夹杂的受力. 量纲分析表明, 不变量A = JBρ_fd³_p/μ²_f 是表征夹杂受力大小以及熔体扰动强度的特征量. A的物理意义是反映了电磁力作用的修正的颗粒Reynolds数. 电磁场作用下夹杂附近熔体扰动出现失稳的判据为A > 2×10³. 计算结果表明, 在A≤1´10⁶的范围内, 忽略惯性项的影响对夹杂受力的影响不大; 而当A > 2×10³     

各向异性的气体-颗粒介质内的二通量辐射传热模型

二通量模型是计算气体-颗粒平板内辐射热通量的简化方法. 在最初的二通量模型中, 辐射场被假设成在半球方向的各向同性. 但是对于燃烧领域的气体-颗粒混合介质, 颗粒的散射通常都是各向异性的, 这样, 原有的二通量模型就会由于忽略各向异性而产生严重的误差. 文中一个多层四通量模型被运用到包含气体-颗粒混合物的辐射热通量的计算. 给出了模型的解析求解过程, 定义了等价的平均交叉系数h和前向散射率z来描述整个平板散射的各向异性. 为了验证模型的准确性, 计算了一个无限大平板内的辐射传递过程, 并与解析结果进行了比较. 结果表明提出的模型能够得到准确的结果, 对原有的二通量模型具有较好的改进作用. 运用本模型计算含有飞灰/CO₂/H₂O的燃烧产物的辐射传递, 所得到的平板发射率与Goodwin的经典结果相吻合.     

F[x]格基约化算法和多条序列综合

利用F[x]-格基约化算法给出了域F上长度为N 的 m条序列的最短线性移位寄存器(即极小多项式)的综合算法. 此算法的计算复杂度为O(N ²)次F中乘运算, 同时给出了一个极小多项式惟一的充要判别条件, 且在极小多项式不惟一时, 给出所有的极小多项式的一般形式和当F为有限域时极小多项式的个数.