基底温度和界面缺陷对铝液/固体硅界面黏附性能影响的机理研究

作     者：刘占莹 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：芮执元;杨军

授予年度：2023年

学科分类：080603[工学-有色金属冶金] 08[工学] 0806[工学-冶金工程] 

主      题：固-液界面 黏附力 热效应 空位缺陷 分子动力学 

摘      要：在电解铝(Al)生产过程中,铝液与其运输设备内壁界面之间的黏附问题带来了巨大的经济损失和严重的环境污染,这一问题引起了制造业的广泛关注。近年来,铝液与固体界面间的黏附性能对基底温度(T)和界面缺陷的依赖性研究不够充分,且固-液界面间的黏附机理还不够清晰,有待进一步完善。因此,本文采用分子动力学方法模拟晶体Al的熔化过程以及不同情况下铝液/固体硅(Si)界面间的黏附过程,分析了不同条件下铝液的微观渗透演化、扩散行为、固-液界面接触角、铝液的质心高度及黏附力的变化规律,最终阐述了有/无界面缺陷时,基底温度对铝液和固体界面间黏附性能的影响。本文主要研究内容如下:(1)基于晶体Al-Si模型,利用分子动力学方法(Molecular dynamics,MD)对探针Al的升温熔化过程进行了模拟。模拟结果表明:晶体Al的升温熔化是一个较为复杂的过程,通过对势能、体积、形态、密度、径向分布函数和均方位移曲线变化规律的分析,可以发现晶体Al在熔点(933 K)处发生了固-液相变,且达到目标温度时探针Al完全熔化,这也表明了势函数及其相关参数的选择是恰当的。(2)基于铝液/固体Si的黏附模型,研究了不同温度(100 K-1500 K)下铝液/固体Si界面间的黏附过程,分析了基底温度对固-液界面间黏附特性的影响。模拟结果表明:当基底温度为低温(100 KT933 K)时,随着温度的增加,铝液在固体表面的扩散能力减弱,渗透进入基底的Al原子数减少,此时铝液的质心略微升高,固-液界面接触角增大,故界面黏附性能减弱;当基底温度为高温(933 KT1500 K)时,随着温度的升高,基底原子剧烈碰撞形成较大的空位浓度,使得Al原子渗透进入基底Si的原子数增多,此时铝液的质心降低,固-液界面接触角减小,铝液在固体界面上的润湿性增强,即铝液/基底Si界面间的黏附性能加剧。因此,界面黏附性能随温度的升高呈现出非单调性变化。(3)基于含界面缺陷的铝液/固体Si的黏附模型,研究了低温下(100 KT933 K)铝液/固体Si界面间的黏附过程,分析了模型中存在三种不同的空位缺陷时温度对固-液界面间黏附性能的影响。模拟结果表明:当缺陷模型A(基底表面删除5个原子)时,界面黏附力随着温度的变化趋势与完整无缺陷模型的变化趋势一致;当缺陷模型B和C(基底表面删除10个和20个原子)时,随着温度的上升基底Si原子的排列规律性被破坏,更多的原子脱离平衡晶格结构,与此同时渗透进入基底的Al原子数越来越多,固-液界面接触角减小,界面黏附力出现了上升的趋势。值得注意的是,基底的空位缺陷越严重,固-液界面间的黏附力增加越显著。