TiC/Ni固液界面异质形核行为的第一性原理分子动力学模拟

本文借助第一性原理分子动力学方法和密度泛函理论,针对四种TiC/Ni固液界面,从原子的异质形核行为与界面的电子性质两方面综合分析,进一步研究TiC促进Ni异质形核的机制。结果表明:TiC(100)、[Ti]-TiC(111)、[C]-TiC(111)基底均可诱导出Ni的预形核层(Pre-nucleation layer,PNL),且界面PNL的层间及面内有序度排序均为:[Ti]-TiC(111)/Ni>[C]-TiC(111)/Ni>TiC(100)/Ni。[Ti]-TiC(111)与PNL的Ni原子之间的强相互作用及化学键合使得其诱导出的PNL有序度最高。而TiC(110)基底无法诱导液体Ni原子形成预形核层,相较于上述三种基底,其促进Ni原子形核的能力最弱。在降温过程中,液相中剩余的Ni原子通过在TiC(100)、[Ti]-TiC(111)及[C]-TiC(111)基底诱导出的PNL作为过渡层的基础上,随温度的降低在PNL外侧聚集成簇,形成稳定的晶核。

夹杂物诱发晶内针状铁素体及形核聚合的基础研究进展

采用氧化物冶金技术提高钢板的焊接热影响区韧性是当前钢铁冶金领域研究的热点。本文从夹杂物诱导晶内针状铁素体(Intragranular Acicular Ferrite,IAF)形核和复合夹杂物有效形核二方面,综述了容易诱发IAF的夹杂物、夹杂物间的晶体学关系、钢液凝固过程中IAF的形核机理以及复合夹杂物形核聚合的研究。这能为进一步明确氧化物冶金中有益夹杂物的形核和生长演变过程提供思路。

静电悬浮下铌异质形核及枝晶生长

采用无容器静电悬浮实验技术,对纯度99.7%和99.95%铌材料的过冷程度和形核凝固机制进行了系统研究。通过经典形核理论分析测量和计算得到材料样品在形核和凝固过程的热物理参数和热动力学参数。实验结果统计分析表明:铌样品的最大过冷度为455.7 K,临界过冷度约为739 K。系统分析并计算得到铌样品最大概率形核过冷度、指前系数、成核活化能、固液界面自由能和关键晶核尺寸。样品的枝晶生长速度与过冷度呈幂函数关系,在过冷度454 K时,枝晶生长速度达到42.1 m/s。考虑非等温条件下界面能的各向异性对自由枝晶生长的影响,理论预测结果与实验获得实验结果一致。

铱衬底上金刚石外延形核与生长:第一性原理计算

异质外延为金刚石晶圆合成提供了一个有效的实现路径,而Ir衬底上金刚石形核生长技术经过20多年的发展已经有能力制备最大直径为3.5英寸的晶体,开启了金刚石作为终极半导体在电子信息产业应用的大门。然而,表面形核、偏压技术窗口、金刚石外延生长等一系列发生在异质衬底上的问题都需要从生长热力学的角度给予解释。本研究针对化学气相沉积气氛中金刚石如何实现外延形核与生长这一关键问题,利用第一性原理计算从原子尺度对金刚石形核生长过程展开了系列探究。研究结果如下:C原子在Ir衬底表面位点吸附比在体相位点吸附更稳定,表明无偏压条件下金刚石形核只能在衬底表面发生;离子轰击作用下非晶氢化碳层中sp3杂化C原子个数随着离子动能的增加呈现先增大后减小的变化规律,证实了金刚石高密度形核存在一定的离子动能与偏压大小窗口;金刚石沿着Ir衬底外延生长时界面结合能最低(约为–0.58 eV/C),意味着界面结合能是决定外延形核生长的主要热力学因素。本研究阐明了偏压辅助离子轰击促进金刚石单晶外延生长的热力学机制,对于指导金刚石及其他碳基半导体生长具有重要意义。

深过冷Co-B合金外源触发形核行为及组织研究

合金的形核机制及其控制方法是凝固理论的重要研究领域之一。触发形核方式可自主控制形核过冷度,对研究形核理论及组织演变具有极大帮助。但熔体具有亚稳性,在实际处理时,外源性杂质引入熔体后将作为触发形核异质点,改变过冷度ΔT和再辉度ΔT_(R),显著影响后续凝固行为,该种现象更为普遍。本文通过玻璃包覆结合循环过热过冷方式,获得两类不同形核模式凝固的Co_(80)B_(20)合金。自发形核模式下,ΔT及ΔT_(R)分别为280和199 K,组织组成为Co/Co_(3)B细小规则共晶。外源性触发形核模式下,ΔT和ΔT_(R)降至122和21 K。组织转变为初生Co枝晶及晶间的Co_(23)B_(6)基体相。外源性杂质将降低f(θ),减小临界形核半径,降低ΔT,使得组织更加不均匀,在实际的熔体处理过程中应予以控制。

碳酸钙形核过程的分子动力学模拟

碳酸钙是混凝土裂缝电沉积修复中的主要产物,研究它的形核过程对于调控碳酸钙晶体的生长从而达到裂缝修复的目的有着重要作用。文章通过分子动力学模拟计算结合能的方法,改进碳酸钙的分子模型,研究了300 K(室温)下碳酸钙的形核过程及镁离子对其形核的影响。在模拟条件下,碳酸根和钙离子有聚集的倾向,短时间内在库仑力作用下形成无定形碳酸钙团簇;碳酸钙形核过程在热力学上可以解释为碳酸钙晶核依次吸附碳酸根和钙离子、晶体逐渐生长的过程,镁离子的加入一定程度上抑制了碳酸钙晶体的形成。

车削表面及微观结构影响小裂纹形核扩展概率模型

车削试件疲劳行为受表面状态及材料微观结构影响显著。为提高对车削件初始寿命及分散性的预测精度,将车削表面粗糙度、残余应力及材料微观结构作为输入参数,提出综合考虑以上因素影响的随机小裂纹形核扩展概率模型。针对高温合金X材料,在开展试验的数据基础上,识别刀痕深度、残余应力及晶粒尺度随机分布参数,并建模,进而识别了晶体塑性本构、小裂纹形核及扩展模型参数。对高温合金X盘坯不同晶区取样等直棒试件宏观裂纹的萌生过程仿真结果表明:当前模型各晶区仿真寿命抽样分布±2σ区间全覆盖相应试验寿命,且寿命均值在试验寿命均值1.1倍分散带内。此外,模型仿真的萌生裂纹宏观形貌与试验观测断口形貌相仿。

铜尾矿基微晶玻璃非均匀析晶过程形核机制研究

为考察烧结法微晶玻璃形核机制,试验以铜尾矿为基,设计了R_(2)O-CaO-SiO_(2)-Al_(2)O_(3)-CaF_(2)体系微晶玻璃,通过分步取样、XRD、IR、SEM等手段分析并论证了基础玻璃形核机制,明确了基础玻璃晶核形成过程及机理,初步确定了C曲线。结果表明,本试验同时存在两种形核机制:异相诱导形核和分相诱导形核。形核阶段发生在550~650℃,基础玻璃在晶核形成初期会处于一种介于基础玻璃与晶核析出时的特殊状态,即在纳米和微米尺度范围内,基础玻璃内部粒子逐渐发生有序化行为。明晰形核机制对微晶玻璃的受控析晶过程具有重要的指导意义,可为消除烧结法微晶玻璃表面龟裂玻璃相提供依据。

籽晶种植及掺硼形核对硬质合金表面金刚石涂层的影响

为改善硬质合金刀具金刚石涂层的质量,提高金刚石涂层的形核密度以提升涂层的均匀性,本文采用热丝化学气相沉积法,在YG8硬质合金基体表面沉积纳米金刚石,研究籽晶种植和形核阶段掺硼对金刚石涂层形核和生长的影响。结果表明:采用质量浓度为1.0 g/L的氢端基纳米金刚石悬浊液进行籽晶种植时,样品表面籽晶密度最高、分布最均匀,后续生长的金刚石晶粒更加细小均匀,改善了涂层的均匀性和平整度。掺硼形核可抑制金刚石涂层中石墨相的形成,提高金刚石涂层的纯度,但硼的掺入使金刚石峰(D峰)的半峰宽(full width at half maximum,FWHM)增大,对金刚石结晶产生不利影响。籽晶种植可使涂层D峰的FWHM从17.43 cm^(−1)降低为10.91 cm^(−1),提升了掺硼形核阶段的结晶质量,削弱了掺硼的不利影响。将掺硼和籽晶种植相结合,所得金刚石晶粒尺寸最小约1~3μm,此时金刚石与石墨的拉曼峰强度比(ID/IG)高达12.83,涂层质量较好。此外在籽晶种植与掺硼形核共同作用下,金刚石涂层的结合性能显著提高,在600 N载荷下可达到HF1级别。

连续冷却多阶段快速凝固过程起始形核温度的计算

基于快速凝固的瞬态形核理论和对连续冷却条件下整个温度区间的瞬态形核数和晶核体积积分 ,导出了连续冷却多阶段快速凝固条件下过冷熔体中各析出相起始形核温度的计算方法。假定界面传热处于牛顿冷却方式 ,对Ni

基于小润湿角下脉冲磁场的凝固形核模型

基于Ma形核模型,理论分析了异质形核基底小润湿角下脉冲磁场金属凝固的异质形核过程,建立了凝固形核模型.考察脉冲磁场磁感应强度对金属凝固临界形核半径及临界形核过冷度的影响.结果表明:该模型中体系Gibbs自由能与异质形核基底形状系数无关.在低过冷度金属凝固条件下,当脉冲磁场磁压力功与金属熔体固液自由能差在同一数量级时,脉冲磁场可有效减小凝固形核的临界半径;在大过冷度(大于20℃)金属凝固条件下,脉冲磁场对金属凝固临界形核半径的影响可忽略.金属凝固异质形核基底粒径较大时,临界形核过冷度随脉冲磁场磁感应强度增大而有效减小.

连续前锯肌平面阻滞对胸腔镜下肺癌根治术患者氧合功能及多形核白细胞、脂联素、基质金属蛋白酶9水平的影响

目的探讨连续前锯肌平面阻滞对胸腔镜下肺癌根治术患者氧合功能及多形核白细胞(PMN)、脂联素(ADP)、基质金属蛋白酶9(MMP-9)水平的影响。方法按照随机数字表法将2021年8月至2022年8月江苏省徐州市中心医院行单侧胸腔镜肺癌根治术的93例患者分为对照组和研究组;其中对照组46例,研究组47例。比较两组麻醉药物使用剂量;比较两组麻醉诱导前(T_(0))、术后即刻(T_(1))、拔管后2 h(T_(2))、拔管后6 h(T_(3))、拔管后24 h(T_(4))时的氧合指数(P/F);比较两组T_(2)~T_(4)时静息与活动状态视觉模拟评分法(VAS)评分;比较两组T_(0)、切皮后15 min(T_(5))、术后7 d(T_(6))PMN、ADP、MMP-9水平。结果两组舒芬太尼、瑞芬太尼、丙泊酚用量比较,差异无统计学意义(P>0.05)。整体分析发现:两组P/F组间、时间及交互作用比较,差异有统计学意义(P<0.05)。进一步两两比较,组内比较:对照组T_(0)~T_(4)时P/F两两比较,差异有统计学意义(P<0.05)。研究组T_(0)~T_(3)时P/F两两比较,差异有统计学意义(P<0.05);T_(4)时P/F高于T_(2)~T_(4)时,差异有统计学意义(P<0.05)。组间比较:两组T_(1)~T_(4)时P/F比较,差异有统计学意义(P<0.05)。整体分析发现:两组静息及活动状态VAS评分组间、时间及交互作用比较,差异有统计学意义(P<0.05)。进一步两两比较,组内比较:两组T_(2)~T_(4)时静息、活动状态VAS评分两两比较,差异有统计学意义(P<0.05);组间比较:研究组T_(2)~T_(4)时静息、活动状态VAS评分低于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。整体分析发现:两组PMN、ADP、MMP-9水平组间、时间点及交互作用比较,差异有统计学意义(P<0.05)。进一步两两比较,组内比较:对照组不同时间点PMN、ADP两两比较,差异有统计学意义(P<0.05);T_(5)~T_(6)时MMP-9水平高于T_(0)时,差异有统计学意义(P<0.05)。研究组不同时间点PMN、ADP、MMP-9水平两两比较,差异有统计学意义(P<0.05)。组间比较:研究组T_(5)~T_(6)时PMN、MMP-9水平低于对照组,ADP水平高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论连续前锯肌平面阻滞应用于胸腔镜下肺癌根治术中,镇痛效果显著,有助于患者氧合功能的恢复。

深过冷液态金属中的均匀形核

首先讨论了液态金属和非晶金属在结构方面的相似之处,然后讨论了传统形核理论的一些缺陷以及与之相矛盾的一些实验结果,目的是进一步探讨均匀形核的机理。在此基础上,提出了无扩散形核理论及其形核壁垒的公式,并对均匀形核理论的矛盾进行了数学上的论证。无扩散形核理论有效地解释了晶体形核和非晶形核的过程。

静电悬浮深过冷熔融锆形核凝固测量

采用静电悬浮无容器实验技术,对纯度99.6%Zr样品的深过冷程度和形核凝固机制进行了系统研究。结果表明:样品的临界过冷度为363.9 K(0.17T_(m)),熔点时的液态比热容为42.42 J/(mol·K),凝固前降温速率与过冷度的变化规律为ΔT=-1.792R_(c)+664.15。通过超高速摄像方法,测得样品的枝晶生长速度与过冷度呈幂函数关系,在过冷度300 K处,枝晶生长速度达到34.6 m/s。通过对上述实验数据进行基于经典成核理论的统计分析,计算得到样品在最大概率过冷度300K处(0.14Tm)的成核活化能为52.19kBT,吉布斯自由能差为1.503×108J/m^(3),固液界面能为0.121 J/m^(2)。对比发现:随着锆含量的降低,样品的最大概率过冷度、成核活化能、吉布斯自由能差和固液界面能都明显减小。

基于相图计算—相场方法的Cu-Pb-Sn合金中第二相形核与生长

利用扫描电镜(SEM)表征了铸态合金Cu-24Pb-2Sn(mass%)的微观组织及Pb元素分布,结合相图计算-相场协同方法探究了合金凝固过程中第二相液滴形核与生长过程。结果表明:与1373 K浇铸试样相比,1473 K浇铸试样中富Pb第二相平均尺寸更大,最大直径超过100μm。由计算分析可知,在合金凝固过程中,Pb元素在Cu基体中的固溶度不断降低,被排出的Pb元素进入第二相液滴,从而形成富Pb第二相,伴随第二相之间碰撞和凝并,共同导致了富Pb相快速长大并粗化。

基于三垂面上形核的润湿角

对三垂面基体上非自发形核进行了研究.根据非自发形核的条件,对临界形核半径和临界形核功进行了推导,得到了临界形核功与润湿角的数学表达式.结果表明,临界形核功仅与润湿角有关,说明润湿角在非自发形核中起非常重要的作用.对形核润湿角进行的讨论表明了,与自发形核相比,非自发形核具有更小的临界形核功.

非均匀形核过程热力学分析

形核是凝固过程的重要阶段,均匀形核的核心为球形,通过计算固液相自由能差和界面能,容易计算出临界核心形成功和临界核心半径。实际凝固过程绝大部分是非均匀形核,涉及3种界面能及球冠表面和体积,临界核心半径及形成功的计算非常复杂,其物理意义也不够直观,不利于学习理解。通过分析晶核内固相化学势与半径的关系,揭示了临界核心半径的物理意义,直观展示了均匀形核和非均匀形核临界核心半径相同的原因。

SiN_(x)介质薄膜制备及其对GaN表面金刚石形核生长的影响

SiN_(x)作为GaN和金刚石异质结构的中间层,不仅是下层GaN材料的保护层,也是上层金刚石的形核生长层,因此SiN_(x)介质薄膜对于GaN表面合成高质量金刚石具有重要的意义。研究分别采用低压化学气相沉积(LPCVD)和磁控溅射(MS)方法在GaN-Si衬底上制备SiN_(x)介质薄膜。利用扫描电镜、傅立叶红光光谱、X射线衍射、激光拉曼等技术对SiN_(x)薄膜的表面形貌、晶体结构和表面官能团等进行分析。结果表明,采用LPCVD镀制的非晶态SiN_(x)介质薄膜经籽晶播种、形核生长金刚石后,金刚石/SiN_(x)/GaN界面完整致密;采用MS制备的SiN_(x)介质薄膜呈晶态特征,对应的界面出现明显的刻蚀坑。沉积方式会影响SiN_(x)薄膜的晶体结构和微观形貌,高致密度的非晶态结构有利于金刚石层快速形核生长,对于构建金刚石基GaN结构更为有利。

球墨铸铁石墨球核心组成及形核机制的研究

通过浇注相同球化剂、不同孕育剂处理的球墨铸铁楔形和激冷试样，采用FE—SEM对石墨球核心的形貌、尺寸、物相组成进行分析，对核心物质与石墨的失配度进行计算。结果表明，石墨球核心形状各异，主要有球形、锥形以及片状。核心的尺寸为0．6～7μm。核心物质主要由硫化物、氧化物、碳化物等组成。石墨球异质核心既有单个核心结构，也有双重和多重核心。大部分核心物质与石墨的失配度δ低，可以直接成为石墨形核衬底，但SiO2与石墨失配度高，需要SiC结合才能间接成为石墨形核衬底。

振动激冷表面晶体形核特性及形核条件研究

选用透明合金NH4Cl-70%wtH2O溶液,考察了振动条件下2种不同粗糙度等级的激冷表面晶体形核特性。发现通常情况下表面粗糙程度对表面形核没有显著影响;表面形核具有明显的局域性,易于形核的位置具有良好的重复性。采用原子力显微镜观察了表面微观形貌,结果发现形核点区域与不形核点区域之间微观形貌存在明显差异,形核点微区均存在大小约为50～100 nm的凹坑,其尺度与临界形核半径相近。