金属熔体的形核和过冷度

将热力学和动力学因素对金属熔体形核过程的影响用过冷度统一起来,从理论上建立了过冷度的一般方程,并得到了确定一中的有效异质核心种类和数量的方法,结果表明：在异质核心种类一定的条件下,金属熔体的过冷度随异质核心总表面积（ＳＶＶ）的减小或冷却速度（ＲＣ）的增大而增大,当ＳＶＶ与ＲＣ的比值上到一临界值时,金属熔体的过冷度增大至其最大值,此最大过冷度的大小取决于金属熔体中原子无量纲扩散活化能因子与形核驱动力     

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.     

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．     

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.     

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．     

氧化物熔体自由表面变形的实验研究

利用高温熔体实时观察装置观察和研究了Bi₁₂SiO₂₀熔体中热毛细对流从稳态向振荡态的转变过程. 稳态热毛细对流的模式由一个对流主干和两个分支组成. 当振荡态对流引发后, 对流主干的长度会随着温度的增加而增长. 对流主干和分支是熔体表面变形的表现形式. 在铂金环的两端施加了3种温度梯度: 120, 60和10K, 铂金环上温度分布的变化直接导致了熔体热毛细对流方向的变化, 从而引发了表面变形形式的改变. 通过熔体温度分布的分析发现: 表明表面变形总是形成于熔体内的低温区. 表面变形的形成是熔体产生表面回流的主要原因. 主干的振荡频率随着温度梯度的增加而增大.     

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.     

银凝固过程中亚临界晶核和晶体团簇的分子动力学模拟

用分子动力学模拟方法研究了冷却速度对银最终构型的影响规律．通过分析银的径向分布函数、HA键对和最大晶体团簇中的原子数，确定出了银凝固后形成非晶的冷却速度．在此基础上，研究了周期性边界条件下银在凝固过程中亚临界晶核和晶体团簇的平衡结构．结果表明：在一定的冷却速度范围内，银熔体凝固后得到的组织是晶体团簇与非晶的混合体，最大晶体团簇尺寸随冷速的增加而减小，当冷速达到一个临界值时，晶体团簇完全消失．银熔体在凝固过程中的晶体团簇及结晶后的晶体是由面心立方和密排六方构成的层状偏聚结构．该层状偏聚结构起源于熔体中的晶胚，在形核阶段就已经生成，并非在生长阶段才开始产生．     

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...     

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．     

负离子配位多面体生长基元模型及其在

负离子配位多面体生长基元理论模型强调了晶体结构对晶体生长的影响, 并与晶体生长的实际条件有机地联系起来, 较好地弥补了以往晶体生长理论脱离实际的不足. 总结了晶体生长溶液与熔体结构的测定结果, 表明了晶体生长中存在着负离子配位多面体生长基元, 并且在不同过饱和度溶液或不同过冷度熔体中, 负离子配位多面体可以形成不同维度的聚集体. 并用该理论模型讨论了晶体生长中的尚未破解的一些疑难问题, 如: 枝蔓晶的形成、极性晶体生长习性及同质异构和异质同构晶体的形成等.     

负离子配位多面体生长基元模型及其在晶体生长中的应用

负离子配位多面体生长基元理论模型强调了晶体结构对晶体生长的影响,并与晶体生长的实际条件有机地联系起来,较好地弥补了以往晶体生长理论脱离实际的不足.总结了晶体生长溶液与熔体结构的测定结果,表明了晶体生长中存在着负离子配位多面体生长基元,并且在不同过饱和度溶液或不同过冷度熔体中,负离子配位多面体可以形成不同维度的聚集体.并用该理论模型讨论了晶体生长中的尚未破解的一些疑难问题,如:枝蔓晶的形成、极性晶体生长习性及同质异构和异质同构晶体的形成等.     

定向凝固速率跃迁下平界面处液相溶质浓度变化及界面失稳

单相合金定向凝固时，固液界面处液相溶质浓度会受抽拉速率的跃迁变化而发生较大的改变．理论分析和数值计算结果表明：当抽拉速率从V0跃迁变化到V时，定向凝固系统并不能立即达到抽拉速率V,而是经过一个非稳态凝固过程才能达到矿跃迁加速中，界面处液相溶质浓度呈现小大小的不对称分布，且刚开始时，界面处液相的溶质浓度随抽拉速率跃迁比V/V0，原始抽拉速率V0和温度梯度GL增加而增大，相应的溶质扩散长度随V/V0和GL增加而减小．对于跃迁减速过程，变化情形刚好相反．另外在跃迁加速中，即使合金跃迁变化的抽拉速率仍处于平界面临界失稳速率范围之内，如果固液界面处液相溶质浓度过大，也会使合金凝固的平界面发生失稳现象．上述分析结果在Al-2％Cu合金的数值计算中得到了验证．     

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.     

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.     

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.     

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．     

热致变色LSMO 光栅结构表面的热辐射特性研究

本文旨在研究具有一维光栅结构表面的热致变色材料La_0.825Sr_0.175MnO₃(LSMO) 的热辐射光谱特性及其随结构和温度变化的规律. 首先利用K-K 关系得到LSMO 在不同温度下的介电常数, 然后利用时域有限差分方法分析计算对应不同参数的结构表面光谱发射率. 研究发现, 由于光栅结构激发的微腔谐振效应, LSMO结构表面的光谱发射率呈现出选择性增强的特征. 光谱发射率随结构参数的变化情况表明, 通过合理选择光栅的结构参数可以得到想要的辐射增强特性. 平均发射率随温度的变化表明, 相比于光滑表面的LSMO 而言, 具有光栅结构表面的LSMO 的表面发射率有了比较明显的增强, 另外热致变色特性有了明显的改善.     

定向凝固界面形态演化及其稳定性的相场法研究

采用B—S相场模型研究了二元合金定向凝固过程中抽拉速度和温度梯度两种凝固参数对界面形态演化、溶质分布、溶质截留及界面稳定性的影响．模拟结果再现了随抽拉速度和温度梯度的变化凝固界面形态发生深胞→浅胞→平界面的演化过程，比较了不同抽拉速度和不同温度梯度下一次间距、沟槽深度以及有效溶质分配系数等参数，预测了高抽拉速度和高温度梯度条件下的绝对稳定性，模拟结果与M—S稳定性理论吻合良好．     

炉料软熔过程还原度对微观结构影响规律

针对不同还原度球团矿、烧结矿及两者混合矿,通过单颗粒荷重软化实验,考察炉料软熔过程微观结构演变规律.结果表明,还原度决定炉料的软熔行为.低还原度下,熔化后炉料边缘形成渣相基体和蠕状金属铁结构,中心形成渣相基体和岛状浮氏体结构,炉料中心的低熔点渣相导致金属铁壳破裂导致渣相流出.高还原度下,炉料边缘和中心均形成渣相基体和蠕状金属铁相结构.渣铁分布状态更倾向于渣相被分割在金属铁相内,炉料中低熔点渣相数量减少使熔化温度升高,且渣相中低熔点的2FeO·SiO_2含量大幅降低,导致渣铁分离温度升高.球团矿和烧结矿界面间(Ca/Si)变化规律表明,还原度大幅提高使混合矿间交互作用开始温度升高,交互作用距离减小.