纳米尺度下熔体异质凝固结构演化的理论研究

摘要

大部分材料，尤其是金属材料，在制备和成形过程中均要经历从液态到固态的转变。因此，凝固理论与技术不论对于发展新型材料还是改进传统材料都具有重要的科学和工程意义。特别是有固相颗粒参与下的多元复杂金属熔体的异质凝固行为，将对丰富颗粒增强金属基复合材料的凝固理论、强韧化理论及其凝固剂书中的关键基础理论有着重要的科学意义，将给颗粒增强金属基复合材料的制备带来新的突破。 形核是一级相变的第一步。一个新的相总是在形核现象中出现。形核的两种主要类型是均质形核，当新相在均匀物质中产生：另一种就是异质形核，当形核发生在预先存在的物质表面，其后凝固方式即为固相颗粒参与下的多元复杂金属熔体的异质凝固行为。但是人们对异质凝固生长的机制还不是很了解，需要我们去深入的研究。因此本论文重点讨论有外来粒子存在的情况下，熔体的异质凝固生长的情况。 近年来，碳纳米管增强金属基复合材料的研究已经引起人们的关注。我们利用分子动力学模拟的方法的研究了Si熔体在单壁碳纳米管表面异质凝固情况。我们发现除装载在纳米管内部的原子可以形成螺旋多壳的纳米线之外，碳纳米管外部的原子也可以在碳纳米管外部均匀势场的作用下形成完美的多壳的螺旋分层纳米线结构，每一层都由多根Si原子链螺旋缠绕而成。并且，我们也讨论了Si熔体在异质成核凝固过程中，碳纳米管遗传效应。我们认为碳纳米管周围均匀分布的辐射状的势场，导致了遗传效应和多层的年轮式结构的形成。然后，我们用分子学的方法又研究了Si熔体在与碳纳米管具有相同碳网络结构的碳纳米锥表面的异质凝固生长情况。外层的原子会沿着纳米锥形成完美的同轴、多壁且相同间距的圆锥形壳层结构，每一层都由多根Si原子链螺旋缠绕而成，而且有时原子是沿着纳米锥的螺旋而螺旋，具有严格的结构匹配性和相互关联性。同样我们也研究了Si熔体在异质凝固过程碳纳米锥的遗传效应。碳纳米锥表面形成的Si锥状网络结构是对纳米锥锥状结构的遗传印记。我们认为碳纳米锥周围均匀分布的与表面垂直的辐射状的势场，导致了遗传效应和Si原子多壳层圆锥形结构的形成。我们还用分子动力学的方法模拟计算了Al熔体在硼.氮纳米管表面的异质凝固行为。在硼.氮纳米管表面，我们观察到了同样的Al完美的同轴、螺旋、多壁且间距相同的圆柱壳层结构及其遗传效应。这些研究结果有利于观察铸造工业中的遗传效应，也有利于更好的理解晶体生长过程中的遗传效应和材料的制造过程。 利用分子动力学模拟，研究了多异质形核情况。研究了Si熔体在含有多个碳纳米管的纳米管簇表面多异质形核的凝固生长过程。在碳纳米管簇周围得到了完美的螺旋、同轴、多壳层的相交半圆柱面结构。由于相同的碳纳米管具有相同的势能，管与管之间存在竞争原子的现象，而且管与管之间形成了一个界面。在Si熔体凝固过程的双体分布曲线上我们看出，有非晶结构的形成，凝固最后，出现了有序晶体结构的特征。碳纳米管簇中的碳纳米管对熔体的凝固具有很大的影响，表现出强烈的结构相关联性。碳纳米管上的缺陷，例如点缺陷和Stone-Wales缺陷对形成完美的分层结构没有影响。这些研究结果，对铸造工业上增强金属基或非晶复合材料性能的研究非常有利。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2典型的纳米管、锥结构

1.2.1碳纳米管

1.2.2碳纳米锥

1.2.3硼-氮(B-N)纳米管

第二章模拟计算方法

2.1经典分子动力学模拟

2.1.1分子动力学中的基本原理

2.1.2势能

2.1.3描述运动方程的Verlet算法

2.2结构分析方法

2.2.1双体分布函数(PCF)

2.2.2原子对分析技术

第三章Si、Al熔体分别在碳纳米管、碳纳米锥、硼-氮纳米管表面异质凝固的理论研究

3.1 Si熔体在单壁碳纳米管表面异质凝固生长的结构形态及遗传效应的理论研究

3.2 Si熔体在单壁碳纳米锥表面异质凝固的结构形态及遗传效应的理论研究

3.3 Al熔体在单壁硼-氮纳米管表面的异质凝固研究

第四章Si熔体在碳纳米管簇表面多异质凝固的理论研究

4.1 Si熔体在碳纳米簇表面多异质凝固的结构演化及形态

4.2碳纳米管增强金属基和非晶复合材料性能的理论研究

第五章主要结论与展望

参考文献

个人简历及攻读学位期间接收和待发表的学术论文

致谢