納米尺度下熔體異質(zhì)凝固結(jié)構(gòu)演化的理論研究.pdf

1、大部分材料，尤其是金屬材料，在制備和成形過程中均要經(jīng)歷從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變。因此，凝固理論與技術(shù)不論對于發(fā)展新型材料還是改進傳統(tǒng)材料都具有重要的科學(xué)和工程意義。特別是有固相顆粒參與下的多元復(fù)雜金屬熔體的異質(zhì)凝固行為，將對豐富顆粒增強金屬基復(fù)合材料的凝固理論、強韌化理論及其凝固劑書中的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論有著重要的科學(xué)意義，將給顆粒增強金屬基復(fù)合材料的制備帶來新的突破。 形核是一級相變的第一步。一個新的相總是在形核現(xiàn)象中出現(xiàn)。形核的兩種主要

2、類型是均質(zhì)形核，當新相在均勻物質(zhì)中產(chǎn)生：另一種就是異質(zhì)形核，當形核發(fā)生在預(yù)先存在的物質(zhì)表面，其后凝固方式即為固相顆粒參與下的多元復(fù)雜金屬熔體的異質(zhì)凝固行為。但是人們對異質(zhì)凝固生長的機制還不是很了解，需要我們?nèi)ド钊氲难芯?。因此本論文重點討論有外來粒子存在的情況下，熔體的異質(zhì)凝固生長的情況。 近年來，碳納米管增強金屬基復(fù)合材料的研究已經(jīng)引起人們的關(guān)注。我們利用分子動力學(xué)模擬的方法的研究了Si熔體在單壁碳納米管表面異質(zhì)凝固情況。我們發(fā)

3、現(xiàn)除裝載在納米管內(nèi)部的原子可以形成螺旋多殼的納米線之外，碳納米管外部的原子也可以在碳納米管外部均勻勢場的作用下形成完美的多殼的螺旋分層納米線結(jié)構(gòu)，每一層都由多根Si原子鏈螺旋纏繞而成。并且，我們也討論了Si熔體在異質(zhì)成核凝固過程中，碳納米管遺傳效應(yīng)。我們認為碳納米管周圍均勻分布的輻射狀的勢場，導(dǎo)致了遺傳效應(yīng)和多層的年輪式結(jié)構(gòu)的形成。然后，我們用分子學(xué)的方法又研究了Si熔體在與碳納米管具有相同碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳納米錐表面的異質(zhì)凝固生長情況。外

4、層的原子會沿著納米錐形成完美的同軸、多壁且相同間距的圓錐形殼層結(jié)構(gòu)，每一層都由多根Si原子鏈螺旋纏繞而成，而且有時原子是沿著納米錐的螺旋而螺旋，具有嚴格的結(jié)構(gòu)匹配性和相互關(guān)聯(lián)性。同樣我們也研究了Si熔體在異質(zhì)凝固過程碳納米錐的遺傳效應(yīng)。碳納米錐表面形成的Si錐狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是對納米錐錐狀結(jié)構(gòu)的遺傳印記。我們認為碳納米錐周圍均勻分布的與表面垂直的輻射狀的勢場，導(dǎo)致了遺傳效應(yīng)和Si原子多殼層圓錐形結(jié)構(gòu)的形成。我們還用分子動力學(xué)的方法模擬計算了A

5、l熔體在硼.氮納米管表面的異質(zhì)凝固行為。在硼.氮納米管表面，我們觀察到了同樣的Al完美的同軸、螺旋、多壁且間距相同的圓柱殼層結(jié)構(gòu)及其遺傳效應(yīng)。這些研究結(jié)果有利于觀察鑄造工業(yè)中的遺傳效應(yīng)，也有利于更好的理解晶體生長過程中的遺傳效應(yīng)和材料的制造過程。 利用分子動力學(xué)模擬，研究了多異質(zhì)形核情況。研究了Si熔體在含有多個碳納米管的納米管簇表面多異質(zhì)形核的凝固生長過程。在碳納米管簇周圍得到了完美的螺旋、同軸、多殼層的相交半圓柱面結(jié)構(gòu)。由于