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(guò)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(duì)于發(fā)展新型材料還是改進(jìn)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(duì)豐富顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的凝固理論、強(qiáng)韌化理論及其凝固劑書(shū)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(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備帶來(lái)新的突破。 形核是一級(jí)相變的第一步。一個(gè)新的相總是在形核現(xiàn)象中出現(xiàn)。形核的兩種主要

2、類(lèi)型是均質(zhì)形核，當(dāng)新相在均勻物質(zhì)中產(chǎn)生：另一種就是異質(zhì)形核，當(dāng)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(duì)異質(zhì)凝固生長(zhǎng)的機(jī)制還不是很了解，需要我們?nèi)ド钊氲难芯?。因此本論文重點(diǎn)討論有外來(lái)粒子存在的情況下，熔體的異質(zhì)凝固生長(zhǎng)的情況。 近年來(lái)，碳納米管增強(qiáng)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(dòng)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(xiàn)之外，碳納米管外部的原子也可以在碳納米管外部均勻勢(shì)場(chǎng)的作用下形成完美的多殼的螺旋分層納米線(xiàn)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(guò)程中，碳納米管遺傳效應(yīng)。我們認(rèn)為碳納米管周?chē)鶆蚍植嫉妮椛錉畹膭?shì)場(chǎng)，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(zhǎng)情況。外

4、層的原子會(huì)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(shí)原子是沿著納米錐的螺旋而螺旋，具有嚴(yán)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(guò)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(duì)納米錐錐狀結(jié)構(gòu)的遺傳印記。我們認(rèn)為碳納米錐周?chē)鶆蚍植嫉呐c表面垂直的輻射狀的勢(shì)場(chǎng)，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(dòng)力學(xué)的方法模擬計(jì)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(zhǎng)過(guò)程中的遺傳效應(yīng)和材料的制造過(guò)程。 利用分子動(dòng)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(gè)碳納米管的納米管簇表面多異質(zhì)形核的凝固生長(zhǎng)過(guò)程。在碳納米管簇周?chē)玫搅送昝赖穆菪⑼S、多殼層的相交半圓柱面結(jié)構(gòu)。由于