固液界面反应润湿动力学的表征与计算

目的 获得在反应润湿过程中固液界面能与时间变化的关系,掌握反应润湿动力学的核心问题。 方法 基于反应润湿过程中反应界面处的三相能量处于动态平衡状态,以反应界面新相覆盖率a和界面活性元素占位浓度分数Fs为变量,结合Young方程带入边界条件进行数学推导,并且进一步采用Dezellus推出的cosθ-t关系的动力学方程进行理论推导。通过真空熔炼炉炼制NiSi合金,采用改良座滴法,在高温真空润湿仪中的石墨基板上进行润湿实验,用高分辨率的CCD相机拍摄反应润湿过程中接触角的变化,获取接触角数据,结合公式计算,验证动力学方程。结果 理论推导出了固液界面能与时间关系的动力学方程。该方程与文献中将固液界面能在反应过程的瞬时差值作为驱动力所推方程相同,也与Dezellus推出的cosθ-t关系经推导后的动力学方程完全相同。该动力学方程中固液界面能与时间呈指数规律降低的关系。Ni-Si/C体系润湿实验的结果表明,在界面反应控制阶段,固液界面能随反应时间呈指数规律降低,与理论推导的动力学方程中固液界面能随反应时间的变化规律一致,结合动力学方程与Arrhenius方程计算出Ni-45%Si/C体系的界面反应激活能为239 kJ/mol,与文献中所报道的数值接近。结论 反应润湿过程中,该反应动力学方程切实可靠,固液界面能随时间呈指数规律降低的关系,能够为材料表面改性与涂层中的润湿性问题提供理论参考。     

Au-30%Si合金熔体与石墨的润湿性及铺展动力学

采用改良座滴法在真空条件下研究Au-30%Si(摩尔分数)合金与石墨在1373~1473 K温度范围内的润湿性及铺展动力学。结果表明:随着温度升高,该体系润湿性得到改善,T=1373 K时,体系终态接触角高达100°,呈不润湿;当T≥1393 K时,随着温度的升高,接触角的变化速率明显加快,接触角减小至16°,呈现良好的润湿性。界面反应产物SiC的形成使得固/液界面能不断降低,为润湿铺展提供驱动力。通过建立新的反应润湿动力学模型,从能量角度阐述润湿铺展机制,预测体系固/液界面能随反应时间的延长呈指数关系降低。在反应控制阶段,理论计算与实验结果一致。     

界面反应对铝熔体与Si3N4多孔陶瓷界面的润湿作用

应用界面润湿理论从热力学角度计算了铝熔体和Si3N4陶瓷存在界面反应时的润湿角;通过测量不同浸渗时间下浸渗厚度,结合浸渗动力学模型,获得实际浸渗过程中铝合金熔体与Si3N4多孔预制体之间润湿角,并将该试验结果与上述理论计算结果相比较.研究表明:Al/Si3N4界面反应过程对熔体与预制体的润湿起到重要作用;应用界面润湿理论计算得到T=1223 K(950℃)时,Al/Si3N4界面实际接触角θ值为60.2°,界面反应对界面接触角的贡献达到47.6°,计算结果与浸渗动力学试验吻合.     

界面反应对铝熔体与Si3N4多孔陶瓷界面的润湿作用

应用界面润湿理论从热力学角度计算了铝熔体和Si3N4陶瓷存在界面反应时的润湿角；通过测量不同浸渗时间下浸渗厚度，结合浸渗动力学模型，获得实际浸渗过程中铝合金熔体与Si3N4多孔预制体之间润湿角，并将该试验结果与上述理论计算结果相比较。研究表明：Al／Si3N4界面反应过程对熔体与预制体的润湿起到重要作用；应用界面润湿理论计算得到T=1223K（950℃）时，Al／Si3N4界面实际接触角θ值为60．2°，界面反应对界面接触角的贡献达到47．6°，计算结果与浸渗动力学试验吻合。     

Ag_2O机械活化和热还原合成Ag的等温动力学(英文)

在氩气气氛下,将Ag2O与石墨通过机械活化或热还原反应生成Ag,对其等温还原过程的动力学进行研究。结果表明,采用Johnson-Mehl-Avrami模型能合理地解释Ag2O与石墨经机械活化和热还原合成Ag的过程。采用相同的模型来研究机械活化和热还原反应合成Ag的动力学时,机械活化还原过程中的Avrami指数比热还原的要高;热还原和机械活化过程中的晶核长大机制分别是扩散控制和界面控制。     

粗糙度对金属/陶瓷反应润湿体系高温润湿性的影响

采用真空座滴法研究了基体表面粗糙度(R_a)对AgCu-4.3 at%Ti/Al_2O_3和AgCu-4.3 at%Ti/石墨两个体系润湿性能的影响,其中Al_2O_3的R_a为256~636 nm,石墨的R_a为265~1898 nm。结果表明,基体粗糙度对界面反应层厚度及其侧向生长、润湿动力学和最终润湿角(θ_f)均有很大影响。在1200 K的润湿温度下,随着基体R_a的增加,两个润湿体系的最终润湿角均呈上升趋势;高温反应性润湿体系润湿性的好坏取决于界面反应产物的侧向生长,当基体表面粗糙度增加时,增加了金属液体中活性元素向产物侧向生长前沿扩散的距离,同时粗糙表面的轮廓峰会对三相线的移动产生钉扎作用,因此界面反应产物侧向生长受到抑制;活性元素更易于向界面处扩散,生成更厚的界面反应产物层;当活性金属液体在粗糙表面润湿时,具有相对缓慢的润湿速度,达到润湿平衡的时间也较短,最终导致较大的润湿角。     

Hf对一种高温合金与陶瓷材料润湿性及界面反应的影响

研究了Hf对一种高温合金与陶瓷材料润湿性及界面反应的影响.测量了合金熔体与陶瓷材料的平衡润湿角,通过SEM,EPMA和XPS研究了合金与陶瓷材料的界面组织形貌、反应区元素分布及界面反应产物,分析了Hf对合金熔体与陶瓷材料润湿性及界面反应的影响,阐述了润湿性与界面反应的关系.结果表明,高温合金中Hf元素的含量会影响合金熔体与陶瓷材料的润湿性.对于本工作的合金,当Hf含量从0.1%逐渐增大至2.0%时,润湿角由132°逐渐减小至112°,润湿性显著增强;当Hf含量达到1.5%时,合金熔体与陶瓷材料发生界面反应,界面反应使润湿角明显减小,反应产物为HfO2.界面反应热力学分析结果表明,Hf和SiO2满足发生置换反应所需的热力学条件.     

考虑热力学和动力学相关性的二元合金凝固界面动力学建模

在同时考虑碰撞限制生长模式和短程扩散限制生长模式的情况下,提出一个更加完善且具有可变动力学前因子的二元合金固?液界面动力学模型.与上述两种生长模式相耦合,提出4种潜在的热力学和动力学相关性,并将其应用于平界面迁移和枝晶凝固.其中,有效热力学驱动力与有效动力学能垒间的线性相关性更符合物理实际.基于此线性热力学和动力学相关...     

超声作用下Fe/Sn体系的润湿行为

采用润湿平衡法研究了超声波作用下熔融纯锡钎料在铁基板上的反应润湿性能. 通过测试锡铁体系的润湿力曲线,结合超声波的传播特性以及润湿后母材的微观形貌,对超声波作用下纯Sn钎料在母材铁片上润湿过程进行了详细描述,分析了超声波在润湿过程中起到的作用. 结果表明,在Sn/石英片润湿过程中附加超声波使得其润湿力增加. 在反应体系润湿力测试过程中附加超声波,能够减少钎料润湿母材的时间,增大钎料对母材的润湿力. 随着超声时间和超声功率的增加钎料润湿母材的时间减小,润湿力增大,固/液界面反应加剧,界面上生成了越来越厚、越来越致密的金属间化合物,使得母材表面相对于原始表面变得粗糙,从而润湿过程更容易进行,并且母材的表面张力的减小,使得润湿力增加.     

微生物致裂的热力学和动力学分析

现场调查和实验研究均证实了微生物致裂的存在并提出了合理的机理模型,但是缺乏微生物致裂的热力学和动力学理论分析。基于Gutman的力学-化学交互作用理论、微生物能量学和腐蚀电化学理论,本文尝试给出SRB/NRB致裂的热力学和动力学解释。热力学计算结果表明,应力和SRB/NRB共同作用下金属材料腐蚀反应的摩尔Gibbs自由能下降,腐蚀反应向环境释放出更多的热量,从热力学上来说具有更高的腐蚀趋势。与SRB腐蚀和SRB致裂相比,铁基金属材料NRB腐蚀和NRB致裂具有更强的热力学倾向。动力学分析表明,外加应力和微生物共同作用下金属材料腐蚀速率和微裂纹扩展速率加快。本工作的研究结果能丰富人们对金属材料菌致开裂行为的认识。     

金属基复合材料的热力学与动力学研究进展

首先介绍了材料热力学和动力学模型,然后介绍了采用材料热力学和动力学模型在复合材料增强相与基体界面反应控制、反应自生增强相种类选择、反应自生增强相尺寸调控、复合材料体系设计以及复合制备工艺优化等方面研究和应用,最后进行了总结和展望。     

球置形成机理的热力学和动力学分析

在对现有的球墨形成长大观点即石墨球化的各种学说进行分析的基础上,从热力学因素－石墨与铁液间的界面能,与动力学因素－石默默周围铁液中球化元素、杂质元素（S,P等）和C、Si等元素的分布及C、Fe元素牟扩散速度等两大方面讨论分析了球墨形成机理各种学说。     

热压条件下 Cu／Al复合带界面扩散反应研究

研究了经冷轧复合的Cu/Al复合带在热压温度为500℃、实际压下率为0％～35％变形条件下的铜铝界面扩散反应。结果表明,在此界面扩散反应的过程中,存在晶界扩散机制。 Cu/Al复合界面扩散反应生成相次序受相变热力学和扩散动力学两方面因素共同控制,不但与各相生成吉布斯自由能有关,而且遵守通量-能量原则。虽然增加压下率对界面扩散层的生长起到一定的促进作用,但温度仍然是其主要影响因素。     

铝液对石墨润湿过程的研究

铝-石墨复合材料制造中的突出问题是铝液与石墨的润湿能力很差,为此大多在工艺上采取措施,如石墨表面喷涂Ti-B,Ni或Cu涂层,或采用流变铸造等。然而这些措施使得工艺复杂、成本提高,因而推广应用受到限制。为改善铝液与石墨的润湿能力,有必要深入研究铝液对石墨的润湿过程。国内外这方面报道甚少,而且所报道的结果差别较大。我们通过长时间的保温试验,仔细地研究了不同温度下铝液对石墨的润湿过程,发现了一些新的现象。     

不锈钢在共晶无铅钎料Sn3.0Ag0.5Cu中的润湿性能及溶蚀特征

研究了不锈钢304和316在无铅钎料Sn3.0Ag0.5Cu中的润湿性能和溶蚀特征。采用润湿平衡法测量结果发现,与不锈钢304相比,不锈钢316显示更具稳定的润湿平衡力;并且不锈钢304在溶蚀性能测试中发现固液界面处发生均匀的界面反应,而不锈钢316则只在某些特定位置处发生固液界面反应。     

SiCp与Al液搅融混合过程机制的研究

通过对SiCp与Al液搅融混合过程进行热力学分析,说明SiCp进入Al液过程是一个自由能增加的过程。进行动 力学分析得出了一个SiCp在Al液组合涡中的运动方程。结果表明:SiCp与Al液的浸渍润湿过程需要外加能量才能实现, 并且提高搅拌速度有利于SiCp与Al液的快速复合。     

D2EHPA—MPA—Fe^3＋协同萃取体系的动力学和界面化学研究

本文研究了协同萃取体系(D_2EHPA—MPA—Fe~(3+))的胶团形成热力学、界面特性、协萃效应和界面动力学(动力学控制机制和反应速率方程)研究发现,混合萃取体系中的D_2EHPA强烈地影响MPA的胶团形成热力学和界面吸附行为,得到了胶团生成常数(K_m)、胶团形成自由能(△G_m)和临界胶团浓度(CMC)的热力学参数D_2EHPA和MPA具有相反的界面吸附行为研究发现D_2EHPA—MPA混合萃取剂体系对Fe~(3+)产生了协萃效应动力学和界面化学的研究结果还证实了非胶束混合萃取体系的Fe~(3+)的萃取过程是受化学反应控制的,控制反应发生在界面上     

V—EPC法铸渗过程的热力学及动力学研究

对铸渗表面合金化过程的热力学和动力学进行了分析,导出了铸渗速度和深度的公式;并在不同气氛条件下,对基粉末在钢表面及石墨表面的润湿角进行了测定;指出提高浇注温度和增加真空度是增加铸渗深度的７种有效措施。     

富钛料加碳氯化制取TiCl_4的热力学和动力学研究进展

富钛料加碳氯化工艺技术是热力学和动力学理论研究的产物,高钛型高炉渣高温碳化低温氯化技术是氯化冶金的典型代表。通过TiCl_4加碳氯化过程Gibbs自由能分析和反应速率与机理探讨,综述了熔盐氯化过程的多种热力学研究和富钛料加碳氯化过程制备TiCl_4的动力学模型,指出了加碳氯化反应的热力学趋势大小、反应产物CO_2/CO气体的临界温度点以及氯化反应符合未反应核缩减模型的共性,提出了深入研究高温碳化低温氯化过程动力学和热力学的建议。     

钛熔体与氧化锆陶瓷铸型润湿性研究

借助自主设计的高活性合金熔体落滴法润湿角测量装置,对纯钛熔体与ZrO2(CaO)陶瓷铸型材料之间的润湿性和界面相互作用进行了研究,并借助SEM和EPMA等分析测试手段,对界面处垂直于界面方向的液/固截面的组织形貌和元素分布进行了分析。结果表明,钛熔体与ZrO2(CaO)在界面处发生了一定程度的化学反应,但界面化学反应不剧烈,钛熔体在ZrO2(CaO)陶瓷材料上不润湿,润湿角为103°,利用液/固界面处化学反应引起的体系总的自由能变化解释了界面化学反应对界面润湿性的影响。