受限熔体的液液相变及凝固行为

作     者：吴维康 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李辉

授予年度：2016年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：熔体 受限空间 液液相变 快速凝固 结构演变 

摘      要：以受限空间作为模板利用熔体凝固的方式有可能制备出结构完美、性能优良的纳米材料。然而,受限熔体的结构和热力学性质与块体的不同,并且会对凝固得到的材料结构和性能有遗传作用。因此,研究受限熔体的结构特性及凝固行为,掌握受限空间对熔体结构及相变的界面效应,不仅能完善熔体的相变理论,对于发展纳米材料制备与加工的先进技术也有非常重要的理论指导意义。本文利用分子动力学模拟方法对受限空间内碳化硅熔体的液液相变进行了深入研究,探讨了受限空间、压力以及墙体作用力对碳化硅熔体结构的影响以及对液液相变的诱导作用;同时探究了二维钴熔体在快速凝固过程中的结构演变规律,揭示了二十面体序与晶体中程序之间的演变关系。本论文的主要内容如下：(1)研究了受限碳化硅熔体的液液相变,并作出了压力.受限空间相图。受限熔体的液液相变表现为受缝隙尺寸和侧向压力控制的层相转变,这一转变过程中伴随着密度的突变。在层相转变过程中,不同配位结构的空间分布会随缝隙尺寸和侧向压力变化而改变。硅原子以三配位结构、四配位结构和五配位结构为主,而碳原子的主导结构为三配位结构。碳原子与硅原子的三配位结构不同会导致近墙层内出现微相分离现象。另外,提高墙体作用力会诱发碳层与硅层之间的分离,这为新型二维碳化硅结构的设计提供了理论依据。值得注意的是,根据液液相变线为负斜率的压力-受限空间相图,液液相变在高压下主要受缝隙尺寸诱导,而在低压下,液液相变则主要受侧向压力诱导。(2)研究了二维纯钴熔体在快速凝固过程中的结构演变。研究发现,二十面体序对晶体中程序的形核生长有协同和钉扎作用。熔体中的二十面体序会与周围线形短程序协同形核,并在晶体中程序的生长过程中被逐渐同化为晶体序。但同化过程中消耗能量,使二十面体序表现出钉扎效应。在二十面体序的协同和钉扎效应共同作用下,无序的熔体薄膜逐渐演变为具有半有序迷宫构型的非晶结构。这一研究揭示了二十面体序与晶体中程序之间的演变规律。本论文的研究成果揭示了受限熔体的相变特征及团簇结构演变规律,为受限熔体的液液相变提供了理论依据,对于新型二维碳化硅材料及金属薄膜的结构设计及制备有非常重要的指导意义。