真空扩散焊接(VDW)法制作扩散偶在研究原子扩散中的应用

利用扩散偶来研究碳、氮原子和氧原子在钢中的扩散是一种很有用的方法［１］。本文作者利用真空扩散焊接工艺来制作扩散偶，并为此设计制作了一台小型真空扩散焊接设备。已使用这种方法制作的扩散偶研究了碳、氮原子在不同成分钢中的扩散规律，并测出了这些原子的扩散系数。     

改进的有限体积法扩散项离散格式

分析了传统的有限体积法求解扩散问题中,当扩散系数在有限控制体界面两侧差异较大时,扩散通量在界面附近出现的数值振荡现象.根据界面两侧扩散通量相等和有限控制体内变量线性变化假设,推导了改进的有限体积法扩散项离散格式.数值算例表明：由2种扩散项离散格式计算得到的变量及其梯度分布很接近,而改进的扩散项离散格式消除了扩散通量的振荡问题,计算结果更加准确,能应用于扩散系数剧烈变化时的扩散问题求解.     

钢渗氮扩散规律

用电阻法研究钢氮化扩散规律。提出用氮化物层和扩散层中氮扩散系数的几何平均值作为氮扩散系数估算总氮化层深。处理结果得到实验验证。     

真空扩散焊接在研究原子扩散中的应用

利用扩散偶来研究碳原子、氮原子和氧原子在钢中的扩散是一种很有用的方法。但是扩散偶在制作过程中需要进行焊接。以往的焊接法,由于焊接温度很高,在焊接过程中扩散偶内部扩散组元已发生显著地扩散。本文作者把当前在焊接工艺中已用于生产的真空扩散焊接工艺用来制作扩散偶,并为此设计制作了一台专门用于制作扩散偶的小型真空扩散焊接设备。实际使用结果表明:用它制作的扩散偶,焊接温度很低≤750℃,焊接面平直,扩散组元无明显扩散(焊接过程中产生的扩散层厚≤0.02mm),且焊接强度较大,经拉伸实验证明不会在焊接面开裂。已使用这种方法制作的扩散偶研究了碳原子、氮原子和氧原子在不同成分的钢中的扩散规律,并测出了这些原子的扩散系数。有关这方面的工作已在其它文章中发表。     

纳米单晶氩扩散性质的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)方法对纳米单晶氩的扩散性质进行了模拟研究。采用L-J12-6势函数描述氩原子势,半步长的Leap-frog算法求解运动方程,Berendsen热浴法调温,P-R方法调压,在充分弛豫后进行扩散模拟的时间为100 ps,计算得到了10个恒定温度下原子均方位移(MSD)与时间(t)的关系曲线。根据MSD-t曲线特点,分为初始阶段和稳态阶段2个阶段进行数据处理。利用Einstein关系求出了稳态阶段的扩散系数D,由Arrhenius表达式求出了纳米单晶氩的稳态扩散常数D0为0.100 004 509 m2/s、稳态扩散激活能Q为4.848 81×10-21J。     

氮在碳素钢中扩散系数的研究

本文采用较新颖的薄层相变扩散法,研究了不同温度下氮在碳素钢中的扩散系数随碳含量及氮浓度的变化规律。研究结果表明:在860℃时,氮的扩散系数随着钢中碳含量的升高而增大;在560℃时,氮的扩散系数随着碳含量增大而减小;在860℃和560℃时,氮的扩散系数先是随氮浓度升高而增大,当氮浓度达到某一定值后,又随氮浓度升高而减小。本文对这些规律进行了理论分析和讨论。     

一维反应扩散问题的格子Boltzmann方法模拟

建立求解一维反应扩散方程的格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法，由格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方程推导出反应扩散方程得出一维情况下扩散系数的表达式，对Ｓｃｈｌｏｅｇｌ，Ｓｅｌｋｏｖ两种反应的反应扩散方程进行线性稳定性分析，根据线性稳定性分析得出的控制参数范围进行计算机格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法模拟，从定量上证明该方法用于反应扩散问题研究的可行性。     

生物电极膜内脱氮速率模型

通过研究生物电极脱氮过程中膜内物质运动和反应机理,建立了能够表现生物膜内脱氮反应过程的动力学模型.在本模型中,氢气和醋酸同时作为电子供体参与反应,在生物膜内反硝化细菌的作用下,硝酸氮被还原为氮气从而彻底将其去除.模型综合考虑了膜内物质迁移、扩散等对脱氮过程的影响,得到了氢气和醋酸同时作为电子供体参与反应时去除硝酸氮的动力学方程.在模型建立过程中,假定生物膜厚度和反硝化菌脱氮活性不受生物浓度、时间和电极位置影响,并且认为生物膜内各反应物质的有效扩散系数约为其在水中分子扩散系数的80%.采用Runge-Kutta法和Shaoting Mathal法对模型进行求解,模型计算结果和实验结果较吻合.     

硅钢中Si原子对C原子扩散过程影响的第一性原理研究

使用基于密度泛函理论的第一性原理计算法探究硅钢内部C原子的扩散特性。首先,建立2×2×2的硅钢晶胞;其次,由过渡态搜索(CI-NEB)方法确定C原子在硅钢晶胞中的扩散方式,即C原子通过在第一邻近(Ⅰ)八面体间隙位置之间连续跳跃完成自身扩散;最后,通过设置不同C原子的扩散路径,计算得出C原子扩散激活能及扩散系数。研究结果表明：在硅钢中C原子的占位为八面体间隙位置,硅钢中的硅元素可以减小C原子的扩散激活能,增大C原子扩散系数,使得C原子在铁基合金中更容易发生扩散。综上可知,运用第一性原理探究合金中原子相互作用及扩散特性是准确且可行的。     

间隙原子在晶体中扩散的新的理论分析方法

本文提出间隙原子在晶体材料中扩散的微观过程的新的理论分析方法.这一理论的基础是基于间隙原子在晶体的晶格原子的间隙中运动受到晶格原子的周期势分布的作用这样一个基本现象,导出了扩散原子运动所满足的方程.根据方程解的特性,描述了原子在晶体的晶格原子的间隙中扩散的基本过程,获得了描述间隙原子在晶体中沿晶轴方向扩散的难易程度定量表达式.同时也获得了间隙原子沿着确定晶轴方向扩散的扩散系数D.根据这一关系式所得的结果与实验结果比较接近.     

Ce_(80)Cu_(20)合金熔体中原子自扩散与互扩散

扩散系数是描述液态金属动力学性质的关键物理量,也是金属材料设计与成型的必要参数.本文利用滑动剪切技术和中子散射技术分别测量了Ce80Cu20合金熔体互扩散系数和Cu原子的自扩散系数,两种扩散系数随温度的变化在所研究的温度范围均符合经典的Arrhenius关系.互扩散系数激活能与Cu原子自扩散系数激活能非常接近,互扩散系数绝对值大约是Cu自扩散系数的1.5倍.根据吉布斯自由能数据,本文还计算了该合金熔体互扩散的热力学驱动力(即热力学因子).结合计算的热力学因子以及经典的描述自扩散和互扩散关系的Darken方程,本文讨论了Ce80Cu20合金熔体中自扩散系数和互扩散系数之间的关系.     

用脉冲谱-优化法求解对流-扩散方程源项控制反问题

作者曾撰文求解了对流-扩散方程边界条件控制反问题，可根据下游河道的环境容量反求上游边界的限制浓度，作为确定排放标准的参考．在此基础上，本文求解对流-扩散方程的另一类反问题——源项控制反问题，并考虑了水流自净能力；作为典型的算例，可根据下游河道的环境容量反求散布在上游河道中的若干个污染源的限制强度．本文的成果与前文的成果相结合，可基本解决一维河道的污染源控制问题．解算方法仍为作者在前文中提出的脉冲谱-优化法，但本文导出了目标泛函对未知源项的变分的解析表达式．计算结果表明，用脉冲谱-优化法求解源项控制反问题，避免了传统的“试错法”，求解所需的信息少，计算精度高、速度快，能一次解出若干个污染点源的限制强度，在环境水力学领域有广泛的实用意义，也可用于泥沙悬移质控制问题．     

悬汞电极的研究 Ⅴ.金属在汞中的扩散

作者根据球形汞齐电极扩散电流理论(第Ⅳ报)提出了一种简便而又准确的测定金属在汞内扩散系数的方法,这个方法完全克服了经典极谱法的缺陷,作者提出了16种金属在汞内扩散系数的正确数值,並在此基础上探讨了金属在汞内扩散的一般规律性问题。作者指出Zn、Cd、Sr、Ba、Sn、Pb、Sb、Ge、Ga、Mn、Bi、In等金属在汞内以单原子的形态存在,它们在汞内的扩散遵守Stokes—Eintsein公式,作者並提出了这些金属在汞内的单独原子的有效半径。作者指出Cu、Na、K等金属与汞生成化合物,它们的扩散不是单原子扩散,扩散质点的半经约为一个金属原子与一个汞原子的共价半径和,这些金属在汞内存在的形式可能是Cu·Hg、Na·Hg与K·Hg。     

薄层介质干燥过程内部水分扩散

以海带作为薄层介质的试样，进行对流干燥实验．根据单项指数模型，计算干燥过程中介质内部水分的有效扩散系数．建立物料内水分扩散微分方程及边界条件，用有限差分法进行数值求解，模拟计算结果与实验结果相吻合．研究结果有利于深入分析和理解物科的干燥特性，以及其在一定条件下的脱水能力．     

砷在锗中的扩散

在恒定温度800℃之下进行了在砷的表面浓度范围为1.9×10~(18)-4.9×10~(19)原子/厘米~2,以及锗材料中含铟浓度范围为4×10~(14)-1×10~(17)原子/厘米~3的砷以气相散入锗的研究。扩散系数是利用测量扩散层的P-n 结方法来决定的,而杂质在扩散层中的浓度分布则用连续腐蚀法结合四探针电导测量来决定。发现扩散系数是随着P-型锗的纯度增加而逐渐增大,以及随着砷的表面浓度增大而增大(在N_s>2.3×10~8原子/厘米~3的区域),同时发现扩散层中砷的浓度分布显著地偏离于理论分布。对于体内杂质浓度以及砷的表面浓度对扩散系数所起的作用进行了一些讨论.     

落叶松板材干燥过程的结合水扩散系数

采用3种扩散偏微分方程求解方法研究了落叶松干燥结合水扩散系数;分析不同干燥介质条件下,10 mm、20 mm厚落叶松板材的一维径向非稳态扩散试验数据.确定干燥动力学曲线;对不同求解方法的水分扩散系数进行比较分析,研究干燥介质温度、湿度、试件厚度、含水率阶段等因素对水分扩散系数的影响机制.结果表明:在特定的环境湿度条件下,扩散系数随温度升高而增大,在3种分析求解方法中,Crank方法的扩散系数与温度间具有的线性关系最为显著;在温度为80℃的干燥试验中,随平衡含水率(EMC)降低,3种方法的扩散系数均呈现出显著增大趋势;相同干燥介质条件下,厚度为20 mm试件的扩散系数均明显高于10 mm试件扩散系数,这种趋势随温度的升高而愈显突出;纤维饱和点以下,木材结合水扩散系数随含水率降低呈指数规律降低.     

颗粒状物料干燥过程水分分布的数值解

本文依据质扩散定律，建立了颗粒状物料干燥方程，并假定扩散系数为水分的指数函数，用数值方法对干燥方程进行求解。还对求解结果进行了分析，总结了各参数对干燥速率的影响关系。     

气体分子扩散的蒙特卡罗模拟

使用蒙特卡罗方法,对气体分子在背景气体中扩散的过程进行了计算机模拟,背景气体均匀分布于三维无界空间中。模拟结果显示,气体分子的扩散是各向同性的,扩散经历的时间越长,分子分布的范围越大,分子扩散的方均位移与时间成正比关系。使用本文的模拟方法还可估算气体扩散系数的数量级,对1标准大气压下、15°C时氧气的自扩散系数,以及氧气在氮气中的互扩散系数进行了估算,得到的扩散系数数量级与实验测量结果符合得很好。     

求解渗流方程的一种修正的中心型有限体积法

针对数值求解渗流方程时, 使用标准有限体积法出现数值界面不能有效向前传播的“数值热障”现象, 提出一种修正的有限体积法, 该方法扩散系数的取值采用密度变量在两个相邻单元的代数平均值. 数值实验结果表明, 新格式可有效避免“数值热障”现象.     

求解渗流方程的一种修正的中心型有限体积法

针对数值求解渗流方程时, 使用标准有限体积法出现数值界面不能有效向前传播的“数值热障”现象, 提出一种修正的有限体积法, 该方法扩散系数的取值采用密度变量在两个相邻单元的代数平均值. 数值实验结果表明, 新格式可有效避免“数值热障”现象.