水平磁场下金属熔体粘滞性研究

摘要

金属熔体的粘度体现了金属熔体中原子的运动，直观反映了金属熔体的流动性，进而可以表现出金属熔体中的传热与传质，因此，通过研究金属熔体的粘度有利于深入把握金属熔体的凝固行为，调控金属熔体的成型能力，以获得高性能的成型金属;金属熔体的粘度可以从宏观上表现液态金属微观结构的转变，因此，通过研究金属熔体的粘度可以分析液态金属内部结构的变化;金属熔体粘度与温度的变化率就是金属熔体的脆性，而脆性与合金的非晶形成能力直接相关，因此，金属熔体的粘度可以预判合金的非晶形成能力。金属熔体粘度的研究对于熔融金属的基础理论研究和科学应用都具有十分重要的指导意义。
　　金属镓是一种低熔点的耐腐蚀性极好的半金属材料。镓合金作为一种半导体材料，在微波通信行业，磁性材料，太阳能电池，医学以及光电工业等各个方面均具有非常广泛的应用。近年来，镓合金作为一种新型材料在诸多领域均有较大的应用前景。本文以镓基合金熔体为主要的研究对象，并用附带水平磁场的高温熔体粘度仪研究了磁场对金属熔体粘度的影响，建立定量描述磁场与金属熔体粘度之间的理论模型;探索磁场对Ga基金属熔体非晶形成能力的影响;并利用分子动力学模拟计算了Ga基金属熔体结构，探索磁场对金属熔体粘度的影响机制，从微观原子角度解释磁场下金属熔体粘度变化的原因，为液态金属的理论研究奠定了基础。
　　研究表明，Sn97Fe3、 Sn94Fe6、 Sn95Co5、 Sn95Mn5、 Al97Ni3、 Al92Ni8、 Ga98Fe2以及Ga98Cr2等金属熔体的粘度在磁场下均随着温度的升高而减小，且都符合Arrhenius公式，指前因子随着磁场强度的增加而不断增加;它们的粘度在磁场下都符合二次函数式ηB=η+2H/πΩ B2，金属熔体在磁场下的粘度正比于磁场强度的平方。
　　Ga80Fe20，Ga80Co20，Ga80Ni20以及Ga80Cr20合金熔体在水平磁场下的粘度均符合Arrhenius公式，随着温度的升高而不断减小;并且随着磁场强度的增加而增加;它们的过热脆性随着磁场强度的增加先减小后增大，最后再减小，这是由磁场对熵的影响以及磁力的影响共同决定的;不加磁场时，Ga80Fe20，Ga80Co20，Ga80Ni20以及Ga80Cr20合金熔体的过热脆性随着各个熔体的液相线温度升高而减小;在Ga80Ni20和Ga80Cr20合金熔体中，过热脆性值较小，而Ga80Fe20和Ga80Co20合金熔体中，过热脆性较大。
　　用分子动力学模拟的方法计算了Ga80Fe20，Ga80Co20，Ga80Ni20以及Ga80Cr20合金熔体的液态结构，在Ga80Co20和Ga80Ni20合金熔体中，Co原子以及Ni原子被Ga原子包围，形成中程有序结构;在Ga80Fe20合金熔体中，Fe原子和Ga原子随机分布;而在Ga80Cr20合金熔体中，Cr原子与Cr原子之间形成了团簇，并且这个团簇有相互分离的趋势;Ga80Ni20，Ga80Cr20，Ga80Co20，Ga80Fe20合金熔体的粘度对磁场的响应逐渐减弱，这是由金属熔体中的团簇大小以及磁场下粒子间的相互力引起的。

目录

声明

摘要

本文的创新点与主要贡献

第一章 绪论

1．1 金属熔体粘度概况

1．1．1 金属熔体粘度的基本概念

1．1．2 金属熔体粘度的测量方法

1．1．3 金属熔体粘度的研究意义

1．1．4 金属熔体粘度的影响因素

1．2 金属熔体粘度的研究现状

1．3 水平磁场下金属熔体粘度的研究现状

1．4 本课题的研究意义及目的

1．5 本课题的研究内容

第二章 实验及研究方法

2．1 研究方案与技术路线

2．2 实验材料及样品制备方法

2．3 附带水平磁场的高温熔体粘度测量仪的基本原理及操作方法

2．4 从头算分子动力学模拟

2．4．1 双体相关函数

2．4．2 键对分析

2．4．3 Voronoi多面体分析

3．1 引言

3．2 水平磁场下金属熔体的粘度

3．3 描述水平磁场下金属熔体粘度的方程

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 镓基合金熔体的粘度和过热脆性

4．3 水平磁场对镓基合金熔体脆性的影响

4．4 本章小结

第五章 动力学模拟镓基合金熔体结构的初步研究

5．1 引言

5．2 高温镓基熔体的液态结构模拟

5．3 磁场下镓基熔体的液态结构与粘度的相关性

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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