金属Cu熔化及晶化行为的计算机模拟

采用分子动力学方法对500个金属Cu原子的模型体系在熔化及晶化过程中的结构组态、能量变化进行了计算机模拟研究．原子间作用势采用FS势．模拟结果表明：在连续升温过程中，金属Cu在1444K熔化；在较慢冷却条件下，液Cu在1014K结晶；在较快冷速条件下，液Cu形成非晶态．从能量的角度分析了模拟过程中温度变化速率对结果的影响，并给出了体系微观结构与能量变化关系的物理图像．     

金属纳米晶体熔化与过热的等效模型

从Hill微系统热力学理论出发,根据已建立的金属纳米晶体结合能的等效模型与相应熔化热力学模型,建立了简单、实用的金属纳米晶体熔化与过热的等效模型．模型不仅预测了随表面原子百分数的增大自由表面纳米晶体熔点与熔化熵的减少及包覆纳米晶体熔点与熔化熵的增加,还对纳米晶体产生过冷和过热的条件进行了分析．对金属纳米微粒、纳米线及纳米薄膜的熔点、熔化熵增大或减少的预测值与实验结果相一致．     

深过冷液态金属Cu的热物理性质和原子分布

针对液态金属Cu在深过冷亚稳条件下的热物理性质和液态结构数据缺乏的问题,采用分子动力学方法结合修正嵌入原子势,研究了常规液态和亚稳液态金属Cu的热物理性质(熔点、密度、比热容和自扩散系数)和原子分布规律,体系温度范围为800~2400 K,最大过冷度达到556 K。通过构建晶体-液体-晶体结构,探索了金属Cu的熔化过程,获得最优的熔点计算温度为1341 K,与实验值误差1.11%。获得了宽广温度范围内液态金属Cu的密度随温度的变化规律,采用Mishin势函数计算的熔点处密度模拟值为7.86 g/cm~3,与文献报道的实验结果的误差小于2%。液态金属Cu的焓在800~2400 K范围内随温度呈线性关系变化,即比热容几乎不随过冷度变化而变化,而自扩散系数则随温度呈指数关系变化。根据不同温度原子的位置变化,获得了相应的双体分布函数,发现液态体系始终处于短程有序、长程无序的状态,且原子短程有序度随温度升高而降低,短程有序结构仅保持在3~4个原子间距范围内,且随间距增大而展现出典型的无序特征。     

薄W(111) 和W(110) 晶面熔化的原子模拟

根据改进分析型嵌入原子法(MAEAM),利用分子动力学(MD)模拟研究含表面薄W(111)和W(110)晶面熔化机制。首先研究温度对晶面表层原子均方位移(MSD)的影响,表明表面和非谐效应对晶面结构和性质影响明显,且原子振动呈现各向异性的特点。在此基础上进一步分析其原子密度函数(ADF)和结构因子(SF)随温度变化,发现薄W(111)和W(110)晶面熔化机制不同,对于W(111)晶面,表面在其熔化转变过程中起主要作用,在3700K完全熔化,拟合无序原子分数随温度变化表明W(111)晶面预熔-熔化转变温度为3550K;而W(110)晶面则出现过热,直到4000K完全熔化,非谐效应在其熔化转变中起主要作用。     

用分子动力学模拟研究V(111)晶面的熔化机理

根据改进分析型嵌入原子模型(MAEAM),通过计算钒的总能量随温度的变化关系确定其熔点为2160±10K,与实验值(2175K)一致。运用分子动力学方法(MD)从原子面密度函数、面结构因子、面径向分布函数三个方面研究了V(111)晶面的预熔现象和熔化情况,发现V(111)面在800K左右开始出现预熔。     

Ag低指数表面非谐效应的分子动力学模拟

应用分子动力学,结合分析型嵌入原子模型研究了Ag低指数面的声子频率、声子线宽度、原子振动振幅和层结构因子随温度的变化关系.结果表明,计算值与已有的实验数据比较相符;(110)面的原子振动振幅表现出明显的各向异性;由声子频率随温度变化关系得到的非谐常数表明(111)面的非谐效应最弱.计算出的反映表面长程有序特征的层结构因子表明,(111)面没有表面熔化,而(100)、(110)面分别在低于体熔点的100 K与250 K时出现了表面熔化.     

分子动力学模拟金属玻璃压痕过程的应力晶化行为

采用Mishin镶嵌原子势,通过分子动力学方法模拟金属玻璃在压痕过程中的晶化行为,从微观结构演化的角度考察应力晶化过程中晶粒的形核、长大与合并的过程。局部较大剪切应力导致内部临近的非晶原子形成晶核,发生晶粒生长与合并的区域与Hertz理论符合。最终生成的晶粒具有面心立方结构,其(111)方向平行于剪切面。计算结果与文献中的实验现象一致,并且符合最小能量准则。     

晶体相场方法模拟高温应变作用的预熔化晶界的位错运动

采用晶体相场模型,分别模拟了小角对称倾侧双晶体系在高温接近熔点温度和达到固-液共存温度时,在外加应变作用下的小角度晶界以及位错的湮没过程.研究表明,没有加外应变时,当体系接近熔点温度情况下,晶界处的晶格位错周围出现预熔化现象,此时预熔化区域内的位错结构并没有发生改变;当温度达到高温固-液共存温度时,预熔化区域明显增大.经高温预熔化后,再施加外应变作用,这时,已存在预熔化的晶界位错发生滑移运动,然后出现位错相遇湮没,晶界消失,同时,伴随的预熔化区域也消失.在预熔化温度情况下的晶界位错的湮没规律基本相同.预熔化温度越接近熔点温度,位错缺陷周围预熔化区域出现晶格原子软化现象越明显,降低了位错周围原子之间的结合强度.这时,在施加外应变作用下,晶格原子对位错滑移运动的阻力降低,位错运动得更快.对于达到高温固-液共存温度情况,此时施加外加应变后,原预熔化区域会出现应变诱发更大面积的预熔化区域.观察到外加应变诱发预熔化区域变化过程中,出现了位错成对地增殖,并发生位错对的旋转和湮没等相互作用;同时,外加应变诱发的预熔化区域的形状随预熔化区内的位错的相互作用而发生变化,出现了预熔化区域相向扩展、连通,然后又分解、分离;尽管这时的预熔化区域形状随外应变作用在不断变化,但此时的预熔化区并不会出现合并消失现象,与较低的预熔化温度的位错运动情况完全不同.     

Au_(85)原子纳米团簇热力学性质分子动力学模拟研究

采用了Johnson的(EAM)模型并结合分子动力学方法,模拟了Au_(85)原子纳米团簇熔化和凝固过程。研究了Au_(85)原子纳米团簇熔点、凝固点以及该团簇的结构,在分析势能和热容量随温度变化关系的过程中,发现Au_(85)原子纳米团簇的熔化和凝固过程中的熔点和凝固点不是线性变化,均出现了负热容现象,并且团簇的凝固点低于熔点。为了探究出现这种负热容现象的原因,对熔化过程和凝固过程中该团簇的内部结构进行了对比。结果表明,该纳米团簇在加热熔化(降温凝固)的过程中表面原子的比例显著变化,引起团簇内部势能的急剧增加(快速减少),使得动能和势能之间相互快速转化。为了维持整个系统的能量平衡,势能-温度图像发生跳变,在物理上表现为负热容现象。     

钛纳米颗粒熔化行为的分子动力学模拟研究

分子动力学常被用来模拟金属粉末3D打印过程中的颗粒熔化过程,了解颗粒的熔化行为对研究打印过程有重要意义。采用嵌入式原子势模型,在相同加热速率下,对块体Ti和不同尺寸的球型Ti纳米颗粒系统进行模拟研究。结果表明:Ti纳米颗粒的熔化温度低于块体Ti,并且随着颗粒尺寸的增加,熔化温度也在增大,这意味着尺寸在纳米颗粒熔化过程中起着重要作用。     

银纳米粒子熔化的尺寸效应研究

采用分子动力学方法对银纳米粒子进行了熔化过程的模拟,研究分析了银纳米粒子熔化的尺寸效应问题。仿真结果表明,银粒子固-液相变时,其系统势能在某一温度范围内具有明显的突变,熔化过程类似于非晶体,并且银纳米粒子的熔化温度明显低于块状材料,随着纳米粒子尺寸的减小,其熔点也随之降低,根据仿真结果及理论分析建立了纳米粒子熔点与粒径之间的数值关系,并分析了相关的主导机制。     

Interface thermodynamics of nano-sized crystalline,amorphous and liquid metallic systems

Expressions for the Gibbs energies of interfaces occurring in particular for solid and/or liquid/amorphous metals or alloys in contact with each other have been developed. To consider its energetics, an amorphous alloy has been modelled as a mixture of the undercooled liquid metal components near to the glass transition temperature making use of the enthalpy of melting, the entropy of melting and the temperature-dependent contribution of the heat capacity of the undercooled melt. Gibbs surface and interface energies have been obtained on the basis of the “macroscopic atom” Miedema model, where the entropy contributions of alloys have been derived applying a recently developed formalism. The Gibbs energy of a crystalline interface phase has been formulated. The molar fractions of the components of the alloy at the surfaces have been determined by minimising the surface energy. These results provide a thermodynamic basis for unusual phenomena observed in nano-sized systems. The formalism has been applied to calculate the thermodynamic stability of interface phases in a nano-sized, multi-layered system of iron and zirconium and to explain the aluminium-induced crystallisation of amorphous silicon and the layer exchange occurring in bi-layers of crystalline aluminium and amorphous silicon.     

Pb,Zn和Al在熔点附近的导热系数测试

采用数值方法模拟金属的相变过程、得到了一系列不同热系数下的相界面移动，将实测是面移动曲线与理论相界面移动曲线相对比，以此确定被测金属在熔点温度下的导热系数，用此方法测试了Ｐｂ，Ｚｎ和Ａｌ三种金属的导热系数，所得结果与文献数据吻合较好，一雇中用于测量熔点介于Ｐｂ、Ａｌ之间的金属在熔点导热系数。     

Thermodynamic Evaluation of Yttrium

ＴｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＹｔｔｒｉｕｍＳｈｅｎＨｕａｓｅｎ，ＺｈａｎｇＷｅｉｊｉｎｇ，ＬｉｕＧｕｏｑｕａｎ，ＷａｎｇＲｕｎａｎｄＤｕＺｈｅｎｍｉｎ（沈化森）（张维敬）（刘国权）（王润）（杜镇民）（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭａ...     

二元合金激光快速熔凝过程的非Fourier模型

基于非Fourier定律，建立了脉冲激光加热条件下单相二元合金表面快速重熔和凝固过程的非平衡传热传质模型，并根据碰撞理论和Aziz的连续生长模型处理固／液界面，以解释快速熔凝过程界面动力学的非平衡效应，快速熔凝问题是涉及热质传输的移动界面问题，通过二阶精度的Von Neumann隐式差分格式和界面跟踪方法进行过程模型的数值求解。应用该模型，分析了Al-Cu二元合金的激光表面熔凝过程，结果表明，激光的高能量密度和非平衡界面动力学所引起的熔化过程和凝固过冷对于快速熔凝过程的影响很大，在快速熔凝过程中，界面速度的变化很大，且因基底材料和热流大小而不同，通过计算获得了界面温度，速度、溶质浓度及非平衡分配系数随界面位置的变化，结果显示，在凝固过程中界面速度和界面溶质浓度都存在着很大的波动。     

Thermodynamic Evaluation of Gadolinium

ＴｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＧａｄｏｌｉｎｉｕｍＳｈｅｎＨｕａｓｅｎ，ＺｈａｎｇＷｅｉｊｉｎｇ，ＬｉｕＧｕｏｑｕａｎ，ＷａｎｇＲｕｎａｎｄＤｕＺｈｅｎｍｉｎ（沈化森）（张维敬）（刘国权）（王润）（杜振民）（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｏ...     

Thermal Performance of Low-Melting-Temperature Alloy Thermal Interface Materials

Thermal resistance of low-melting-temperature alloy(LMTA) thermal interface materials(TIMs) was measured by laser flash method before and after different stages of heating.The results showed that the thermal performance of the LMTA TIMs was degraded during the heating process.It is suggested that the degradation may mainly be attributed to the interfacial reaction between the Cu and the molten LMTAs.Due to the fast growth rate of intermetallic compound(IMC) at the solid–liquid interface,a thick brittle IMC is layer formed at the interface,which makes cracks easy to initiate and expand.Otherwise,the losses of indium and tin contents in the LMTA during the interfacial reaction will make the melting point of the TIM layer increase,and so,the TIM layer will not melt at the operating temperature.     

THERMAL STRUCTURAL DISORDER AND MELTING TRANSITION IN HIGH-ANGLE GRAIN-BOUNDARY: A MOLECULAR-DYNAMICS STUDY

1.IntroductionThereexistscontroversywiththestructuralstabilityofabicrystallineinterfaceatelectedtemperatures.TheissueisthatwhetheritremainscrystallineuptoTinorun-dergoespremelting.Premeltingheremeansthatthegrainboundarycompletelylosesitscrystallineorderandsuchalossofcrystallineordercanbe'kept'withthesystemevolvillgatatemperaturewellbelowTin.Ontheexperimentalside,anumberofgrain-boundarymeasurementssuggestindirectlythatsomekindofstructuraltransitioncouldtakeplaceattemperattireswellbelowTin[llZ…     

Local melting in silicon driven by retrograde solubility

High point-defect enthalpy of formation leads to retrograde solubility for a number of solutes in silicon, especially d-shell transition metals. We present direct experimental evidence for a thermodynamic pathway leading to local retrograde melting in silicon driven by the retrograde solubility of low-concentration metallic solutes at temperatures above the bounding liquid-silicide–silicon invariant reaction. We experimentally demonstrate this local melting pathway using in situ synchrotron-based X-ray microprobe measurements of silicon supersaturated with nickel, wherein solute precipitation into liquid droplets is observed. No significant energy barrier is observed for the nucleation of the liquid droplets at the surface, suggesting that in the Ni–Si system, retrograde melting will occur upon supersaturation if favorable heterogeneous nucleation sites are available.