液態(tài)錫結(jié)構(gòu)演變特征的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、液態(tài)錫由于具有低熔點(diǎn)、穩(wěn)定范圍廣的特點(diǎn)，因此被作為液態(tài)金屬溶劑或反應(yīng)介質(zhì)，用于核廢料的再生回收避免了有機(jī)溶劑易受輻射損壞，減少了核廢料的產(chǎn)生、提高核燃料的利用率、降低了輻射危險(xiǎn)，具有良好的應(yīng)用前景;同時(shí)與液態(tài)鋰相比，液態(tài)錫由于具有高回收率、低氚滯留表面以及與鋰相比允許高于2000℃工作溫度，有5個(gè)或5個(gè)以上的數(shù)量級(jí)的較低蒸氣壓的優(yōu)點(diǎn)，使之成為聚變反應(yīng)堆中面對(duì)等離子體材料(PFM)或第一壁材料的候選材料;另外，金屬錫處于周期表第Ⅳ主族，不

2、同于同主族的其他金屬只含單一的化學(xué)鍵，它的化學(xué)鍵常壓下表現(xiàn)出一部分共價(jià)性和一部分金屬性。這些優(yōu)點(diǎn)都使液態(tài)錫成為研究對(duì)象的首選。近年來(lái)，液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)演變及相變研究不斷受到研究者的關(guān)注。而材料的宏觀物性取決于其微觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)液態(tài)錫宏觀物性的研究可以反映出其微觀結(jié)構(gòu)演變的特征。最近研究發(fā)現(xiàn)，這些只單一的研究了液態(tài)錫結(jié)構(gòu)隨溫度和壓強(qiáng)變化的影響，自擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的變化，粘度隨溫度的變化，均未能揭示液態(tài)錫的結(jié)構(gòu)演變特征，也沒(méi)有直接將結(jié)構(gòu)與宏觀物

3、性相關(guān)聯(lián)。因此本文將液態(tài)錫結(jié)構(gòu)演變與宏觀物性相關(guān)聯(lián)具有重要意義。
　　為了研究液態(tài)錫結(jié)構(gòu)演變特征，本文運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法結(jié)合MEAM勢(shì)模擬研究了常壓下金屬錫(α-Sn、β-Sn)的結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)特性和液態(tài)錫的結(jié)構(gòu)演變特征及對(duì)應(yīng)的宏觀特性以及模擬分析溫度和壓強(qiáng)對(duì)液態(tài)錫結(jié)構(gòu)、自擴(kuò)散和粘度的影響，由此得出溫度、壓強(qiáng)與短程有序度、短程有序結(jié)構(gòu)、自擴(kuò)散系數(shù)和剪切粘度等方面的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)α-Sn和β-Sn熱力學(xué)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，很好的揭示了它

4、們與溫度之間的關(guān)系，反映了α-Sn和β-Sn的結(jié)構(gòu)和熱動(dòng)力學(xué)特性。計(jì)算模擬溫度范圍在773K～1873K的液態(tài)錫的徑向分布函數(shù)(RDF)和采用近鄰鍵對(duì)分析(CNA)發(fā)現(xiàn)液態(tài)錫的短程結(jié)構(gòu)有序度隨著溫度的升高而降低，在1200K左右分為兩段，模擬計(jì)算的自擴(kuò)散和粘度隨溫度的變化關(guān)系與液態(tài)錫的結(jié)構(gòu)變化相互印證。在液態(tài)錫熔點(diǎn)附近隨著壓強(qiáng)的增加，短程有序結(jié)構(gòu)中的FCC或HCP特征鍵對(duì)不斷轉(zhuǎn)化為BCC特征鍵對(duì)，說(shuō)明液態(tài)錫的短程有序結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，逐漸