基于CA-LBM三维模型的硅小平面枝晶生长数值模拟

为了解析硅小平面枝晶生长机制,真实再现其生长过程,建立了三维的元胞自动机-格子Boltzmann方法(CA-LBM)耦合模型,通过元胞自动机计算硅枝晶的生长,通过格子Boltzmann方法计算硅晶体凝固过程的温度场,通过硅晶体生长过程中释放出的凝固潜热将二者耦合,并引入高各向异性函数,对硅三维小平面枝晶的生长进行了数值模拟。分析了界面能各向异性及初始过冷度对三维小平面硅枝晶形貌的影响。结果表明:三维硅小平面枝晶具有很强的各向异性,三维模型能更真实准确地模拟硅小平面枝晶的生长。     

电渣重熔结晶器旋转对M2高速钢凝固过程的影响

研究了自行设计的结晶器可旋转的电渣炉的旋转速率对M2高速钢凝固过程的影响,采用双极串联?电渣重熔方法,对不同结晶器转速下所制M2高速钢的二次枝晶、冷却速率、渗透率和渣皮厚度进行统计、计算和分析。结果表明,随结晶器转速增大,M2高速钢中心和边部的枝晶被打碎,结晶器转速越快,枝晶破碎越明显。结晶器转速由0增至19 r/min,M2高速钢在中心和边部的平均二次枝晶间距分别减小19.47%和25.23%,平均冷却速率分别增大97.01%和148.06%,平均渗透率分别降低34.94%和44.04%。结晶器旋转能将渣皮厚度降低40.41%,渣壳厚度的方差由0.163降至0.003,渣皮变得均匀,增大了金属熔池向外传热,使金属熔池变浅;另一方面,M2高速钢枝晶破碎、平均二次枝晶间距减小和渗透率降低使M2高速钢在凝固过程中的偏析得到控制,因而结晶器旋转可提高M2高速钢的凝固质量。     

基于格子波尔兹曼法的热障陶瓷涂层凝固生长过程模拟

热障涂层(TBCs)在使用过程中表面陶瓷层的脱落是影响其使用寿命的关键,针对以上问题,建立了凝固生长过程流动及传热传质模型,用格子波尔兹曼法(LBM)研究了涂层凝固生长过程。结果显示:不考虑对流影响时,晶体生长的形貌呈现对称十字枝晶形状;在考虑对流的情况下,迎流部分生长快,背流部分生长受到抑制。在大的过冷度影响下,晶界出现波动,出现二次枝晶生长。等离子喷涂涂层在温度梯度下朝向正温度梯度方向呈柱状晶生长。枝晶生长受到对流的影响和侧向温度梯度的影响。迎流方向和大温度梯度方向枝晶形貌发达,背流方向和小温度梯度处枝晶生长受到抑制。     

L-异亮氨酸对L-丙氨酸晶体生长速率的影响

结合实验和分子模拟研究了L-异亮氨酸对L-丙氨酸晶体主要晶面生长速率的影响。实验发现随着溶液中L-异亮氨酸浓度的增加,L-丙氨酸(120)面(轴面)的生长速率显著降低,而(011)面(端面)的生长速率增加,导致L-丙氨酸晶体的长径比增大。分子模拟的结果表明,L-异亮氨酸容易占据L-丙氨酸(120)晶面的台阶位从而阻碍(120)晶面的生长;但其不仅不容易吸附于(011)晶面的台阶位,反而会促进溶质分子在溶剂化界面的扩散,从而提高(011)晶面的生长速率。分子模拟的结果较好地解释了实验中L-异亮氨酸对L-丙氨酸不同晶面具有不同作用效果的现象。     

表面能对冰晶形貌的影响

本工作从介科学概念出发,提出了表面能对冰晶生长形貌调控的科学假设.通过在水中添加不同添加剂(蔗糖、氯化钠、表面活性剂SDS),改变水溶液的表面张力,利用激光共聚焦显微镜原位实验装置开展了冰晶生长动力学研究.结果 表明,在相同过冷度条件下,随溶液表面张力降低,冰晶形貌由具有对称性的枝状变为无序的海藻晶,这种变化在不同溶液...     

交变磁场对水及生理盐水过冷过程的影响

为了研究磁场作用下水和生理盐水的过冷现象,搭建了可以实时测量记录冻结过程和磁场强度的试验台。20mL自来水或医用生理盐水被用作实验样本,磁场强度从0~64 G变化的50 Hz交变磁场被施加到样本上。实验结果发现交变磁场能够降低水和生理盐水的最低不结晶温度,水过冷度的增大与磁场强度能构成线性函数关系,生理盐水的过冷度增大与磁场强度能构成三次多项式函数关系;相同磁场强度下水的过冷度增加幅度大于生理盐水,在最大磁场强度(64 G)下水的过冷度增加了2.06℃而生理盐水过冷度增加了1.73℃;过冷度的增加导致过冷态时间延长,从而使得水体温度均匀性增加,推迟了成核时间。因此采用交变磁场能够增加水和生理盐水的过冷度,延长过冷时间,磁场的作用机理可能与水分子间的氢键形成和溶液中水合离子的洛伦兹力有关。     

悬垂水滴表面天然气水合物的生长特性

针对天然气水合物的喷雾法制备,设计并搭建了悬垂水滴显微实验装置,研究了不同温度和压力条件下天然气水合物在悬垂水滴表面的生长形态,建立了水滴表面水合物膜的生长模型,并通过实验研究了驱动力、过冷度、水合反应速率、气体扩散速率及十二烷基硫酸钠(SDS)浓度对水合物膜生长的影响. 结果表明,水合物膜的生长速率随过冷度的增加而增加,实验条件下测得水滴表面水合物膜的生长率为0.24~0.39 mm/s. 水滴表面水合物膜的生长为内扩散控制,水合物的活化能为13.01 kJ/mol. 当SDS浓度为550 mg/L时,界面反应速率常数有最大值0.0027 m/s.     

Fe-C合金凝固组织元胞自动机一有限单元法三维模拟

使用有限元商业软件CALCOSOFT3D中的元胞自动机模型,对Fe-C合金凝固过程微观组织进行了模拟.形核模型采用基于高斯分布的连续性形核模型,两种形核分布函数分别处理型壁和熔体内部的形核;枝晶尖端生长速度与局部过冷度的关系采用KGT模型.计算了不同浇注温度、对流换热系数及溶液内部形核过冷度对凝固组织的影响.随着浇注温度从1778 K升到1823 K,晶粒密度由1.993×107m-2减小到1.983×107m-2,晶粒平均半径从183μm增大到196.3 μm;当对流换热系数由500 W/(m2·K)增加到5000 W/(m2·K),晶粒密度由2.114×107m-2减小到1.983×107m-2,晶粒平均半径从161.2 μm增大到196.3 μm;随着最大形核过冷度的增大,晶粒平均半径增大,当过冷度为8,平均晶粒半径达到233.8 μm.     

PTT的等温与非等温结晶动力学研究

采用DSC方法对聚对苯二甲酸丙二酯进行等温与非等温结晶动力学研究,利用不同动力学模型对其结晶过程进行分析.结果表明,在等温结晶过程中,Avrami指数n和半结晶时间随着结晶温度的升高而增大,结晶速率常数K随着结晶温度的升高而减小;在非等温结晶的过程中,结晶动力学常数Zc和相对过冷度△Tc随着降温速率的提高而上升,Avr...     

PUR-T对POM球晶成核与生长过程的影响

以聚酯型热塑性聚氨酯(PUR-T)作为聚甲醛(POM)球晶生长抑制剂,采用热台偏光显微镜,即时在线跟踪POM球晶的成核与生长过程,研究了PUR-T在其不同用量以及不同结晶温度下对POM球晶成核及生长过程的影响。结果表明,PUR-T存在下,POM的成核密度明显增大,并随结晶温度的提高基本呈下降趋势;在结晶温度为155℃及以下时,PUR-T对POM成核时间基本无影响,156℃以上时,使成核时间明显增加,158℃的增加尤为显著。PUR-T使POM球晶生长速率明显下降,且结晶温度越高,生长速率下降幅度越大;PUR-T质量分数为5%～15%时,用量变化对生长速率的影响甚微。同时,PUR-T使POM结晶过程的成核参数和折叠链表面自由能增加,表明PUR-T的加入使POM成核难度增大,球晶生长所需克服的能量增加。     

小通道内TBAB溶液水合物生成实验研究

小通道内TBAB(四丁基溴化铵)水合物晶体微观生成过程研究对水合物浆体安全流动和堵塞机理研究具有参考意义。文中选用内径为3 mm的石英管作为测试管道,利用工业显微镜对在小管道中形成的水合物晶体进行观察和记录,分析了在同一过冷度下(Δt=17℃)质量分数和流量对TBAB水合物形貌、生长速率及堵塞时间的影响。结果表明:在过冷度相同时水合物形貌主要受溶液质量分数影响,水合物晶体的致密度和透光度随质量分数的增加而增大;质量分数增加到25%后,质量分数的增加对水合物生长速率不再有明显的促进作用;受管径限制,径向方向水合物生长速率会先降低再趋于平稳;流动时所产生的剪切力使得水合物晶核剥落形成新的成核点,流量的增加大大缩短了水合物成核时间和堵塞时间。     

氯氧化铋反应结晶动力学研究

在铋盐水解制备氯氧化铋的反应结晶过程中,控制氯氧化铋晶体成核和生长速率可影响氯氧化铋晶体的形貌、粒径和分散性。为此,选用间歇动态法研究了氯氧化铋晶体成核与生长动力学,采用矩量变换法建立了结晶过程动力学模型,并用最小二乘法对实验数据进行多元线性回归,获取了动力学模型参数。研究结果表明：当氯氧化铋晶体粒度≥3 μm时,其晶体生长速率符合粒度无关生长模型;晶浆悬浮密度和过饱和度对成核速率均有显著影响;溶液过饱和度对成核速率的影响较生长速率的影响更为显著。     

人造氟金云母的结晶习性与缺陷

本文从晶体结构出发,研究了人造氟金云母的结晶习性与缺陷。认为缺陷主要是沿着镁离子点阵行列分布的面缺陷,文中讨论了如下几个问题:(1)结晶习性的各向异性。a 轴方向生长最快,b 轴次之,c 轴方向最慢。从各族晶面比表面能大小解释了这种差异;(2)籽晶取向,沿b 轴方向生长较沿 a轴方向生长的晶体质量为好。由于 a轴与 b轴方向生长速率的不同,对温度稳定性的要求也有差异。b 轴向生长较 a轴向生长易于控制,缺陷出现几率少。a 轴向生长时晶体缺陷沿着{110}和{110}族晶面发育,b 轴向生长时晶体缺陷沿着{110}和{110}族晶面发育;(3)固液界面的形状与晶体缺陷密切相关。从晶体的结晶习性出发,分析了平界面生长时晶体中缺陷少的原因,提出凸界面和凹界面的缺陷是由于生长过程中各族晶面生长速率不匹配所造成的,认为生长界面的形状是各族晶面的包迹。     

利用反应结晶制备大颗粒硫酸钾的研究

为解决国产硫酸钾粒度小的问题,采用软钾镁矾和氯化钾为原料,分别以不同的加料速率、搅拌速率、反应温度、加入晶种的量进行了反应结晶实验。研究结果表明,随加料速率的增大,硫酸钾晶体的成核速率和生长速率增大,产品平均粒径减小;随搅拌速率的增大,成核速率增大,生长速率减小,产品平均粒径减小;晶体成核速率和生长速率受温度影响较小;随着加入晶种量的增大,晶体成核速率先减小后增大,生长速率先增大后减小,并首次建立了硫酸钾反应结晶动力学模型。在优化条件下,实验产品的平均粒径最大可达394.3μm。     

等离子体增强化学气相沉积法制备氢化硅膜的自晶化倾向性

为了探寻生长过程中硅膜的自晶化沉积,采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法沉积了氢化硅薄膜,系统研究了不同沉积阶段所得硅膜微观结构的迁变规律。结果表明,硅膜的显微结构依赖于沉积时间,当沉积时间仅为30min时,所得硅膜的结构为非晶;而当沉积时间延至60min时,硅膜形成微晶颗粒;此后随着沉积时间的增加,晶化程度提高,且非晶区域面积相应减小。另外,硅膜的沉积速率也随沉积时间的增加而增加。在硅膜沉积过程中,随时间不断变化的界面状态可能为其自晶化的主要原因。     

EDTA抑制碳酸钙水垢的成核动力学研究

为研究EDTA对碳酸钙水垢成核动力学参数的影响机制，通过浊度法测定了在有无EDTA条件下不同过饱和指数溶液的诱导时间，结合经典成核动力学理论计算了典型的成核动力学参数。结果表明，无论有无EDTA，碳酸钙成核的诱导时间均随过饱和指数的增大而降低，但添加EDTA能够延长诱导时间，说明EDTA能够抑制碳酸钙的成核。与相同过饱和指数的无EDTA体系相比，EDTA通过增加界面能γ、临界自由能变?GC、临界成核半径rc和降低成核速率J抑制碳酸钙的成核过程。溶液中EDTA与钙离子的螯合反应为动态平衡，导致晶胚界面处的离子混乱度增加，使成核界面能和临界自由能变增加，临界成核半径也相应增加，同时由于螯合反应，成核自由离子浓度降低，成核速率降低。     

苊冷却结晶动力学的间歇动态法研究

通过添加晶种的间歇冷却结晶实验研究了苊在乙醇中的结晶动力学。由苊晶体的粒数密度数据,通过矩量变换法按粒度无关生长模型求解粒数衡算方程,采用多元线性最小二乘法回归动力学数据,得到苊在乙醇中晶体生长及成核速率方程。对动力学方程的理论分析表明:搅拌速率对二次成核影响显著,随搅拌速率增加,晶体的成核速率明显增加。同时适宜的过饱和度及较低的悬浮密度,有利于苊晶体生长。该研究为苊冷却结晶特性的辨识、粒度分布的控制及工业放大提供了重要的理论指导。     

点阳极射流电沉积中二维枝晶的生长

将分形几何与电化学原理相结合,编程模拟了点阳极射流电沉积中枝晶的分形生长。用自行设计的实验设备研究了点阳极尺寸对点阳极射流电沉积中,金属镍枝晶二维电沉积生长行为特性的影响,并从分形维数的角度对其进行分析。结果表明:点阳极射流电沉积中的枝晶也是分形生长的,随着点阳极尺寸的增大,枝晶簇的形貌向致密型转变,分形维数也随之增加,模拟结果与实验结果具有极好的相似性,从而有力地促进了枝晶电沉积的分形研究。     

Fe-C合金凝固组织元胞自动机-有限单元法三维模拟

使用有限元商业软件CALCOSOFT3D中的元胞自动机模型,对Fe-C合金凝固过程微观组织进行了模拟.形核模型采用基于高斯分布的连续性形核模型,两种形核分布函数分别处理型壁和熔体内部的形核:枝晶尖端生长速度与局部过冷度的关系采用KGT模型.计算了不同浇注温度、对流换热系数及溶液内部形核过冷度对凝固组织的影响.随着浇注温度从1778K升到1823K,晶粒密度由1.993×10~7m~(-2)减小到1.983×10~7m~(-2),晶粒平均半径从183μm增大到196.3μm;当对流换热系数由500W/(m~2·K)增加到5000W/(m~2·K),晶粒密度由2.114×10~7m~(-2)减小到1.983×10~7m~(-2),晶粒平均半径从161.2μm增大到196.3μm;随着最大形核过冷度的增大,晶粒平均半径增大,当过冷度为8,平均晶粒半径达到233.8μm.     

丁二酸二异辛酯磺酸钠对甲烷水合物生长动力学特性的影响

通过改变添加量（600mg/L、900mg/L、1200mg/L）、过冷度（3.5℃、5.5℃、7.5℃）以及压力（4.90MPa、6.0MPa、7.31MPa）的方式,考察了在静态体系下绿色促进剂丁二酸二异辛酯磺酸钠（AOT）对甲烷水合物生长动力学特性的影响。实验结果表明,3种浓度下AOT均能够有效缩短诱导时间,并且浓度越大,诱导时间越小（1200mg/L时为0.21h）,但储气量随着添加量的增加,先增大后减小,最终确定最佳添加量为900mg/L,水合物储气量为55.76m³/m³;另外,过冷度越大,实验压力越高,水合物成核速度越快,诱导时间越短,耗气速率越高。当过冷度为7.5℃时,诱导时间最小为0.31h,耗气速率最大为0.275mol/h,储气量最大为63.95m³/m³;但压力过大,釜内气液界面会快速生成水合物层,阻碍水合物继续生成,导致水合物储气量减少为46.84m³/m³。所以,在静态体系下,合理选择促进剂的浓度和驱动力的大小,可显著促进水合物生成。