Cu纳米晶块体的制备及纳米晶粒长大动力学研究

采用高能球磨的方法制取金属纳米晶粉末，然后利用放电等离子烧结（SPS）技术制备出金属纳米晶块体材料。设计系列实验研究金属纳米晶材料的晶粒长大行为，获得了纳米晶粒长大的动力学规律。根据已有的工作基础和对实验结果的深入分析，确定动力学参数对稳定相晶粒长大行为的影响。实验发现了高能球磨配合SPS技术制备的Cu纳米晶块体发生快速晶粒长大的临界温度，并结合纳米晶界过剩体积与过剩自由能的关系，分析了纳米晶粒组织的能量因素对晶粒长大行为及动力学的影响。     

基于热力学函数的纳米晶粒长大Cellular Automaton仿真研究

基于纳米晶热力学特性表征函数,将纳米晶热力学性质对晶界迁移的影响引入Cellular Automaton算法,对纳米晶粒长大行为进行了定量化和可视化的仿真研究.模拟结果表明,纳米晶粒长大的动力学与传统粗晶材料不同,在恒温条件下,纳米晶粒的长大指数n不是常数(传统粗晶材料的晶粒长大指数n=2为常数),随纳米晶粒长大过程的进行,n值从1.70至6.59发生变化.作为纳米晶粒长大的驱动力,纳米晶界的过剩自由能与纳米晶粒尺寸的变化直接相关.由于纳米晶材料强烈的小尺寸效应,纳米晶组织的热力学性质较大地影响纳米晶界的结构和能量状态,从而影响纳米晶粒长大的动力学特征.因此,只有结合纳米晶热力学特性的仿真研究才能获得对纳米晶粒长大行为本质性的认识.     

金属纳米晶热稳定性和晶粒长大行为的研究

推导出了金属纳米晶界的基本热力学函数,模拟计算了金属纳米晶界的吉布斯自由能随晶界过剩体积和温度的变化规律。以铜纳米晶材料为例,应用纳米晶热力学模型预测了纳米晶组织的热稳定性及纳米晶粒长大行为。将纳米晶界的热力学函数引入元胞自动机仿真算法,利用计算机模拟研究了金属纳米晶的变温晶粒长大过程。实验证实铜纳米晶粒长大的动力学特征符合纳米晶热力学模型的计算预测结果。