液态五元Ni-Zr-Ti-Al-Cu合金快速凝固过程的高速摄影研究

采用电磁悬浮和自由落体两种无容器熔凝技术,并借助高速摄影实时分析方法,研究了液态五元Ni_(40)Zr_(28.5)Ti_(16.5)Al_(10)Cu_5合金的深过冷能力和快速凝固机制.在电磁悬浮条件下,液态合金的过冷度可达290 K(0.21T_L).当深过冷熔体快速凝固时,高速摄影观察发现悬浮液滴表面呈现点状和环状两种区域形核方式.合金的快速凝固组织由初生Ni_3Ti相、次生Ni_(10)Zr_7相和(Ni_(10)Zr_7+Ni_(21)Zr_8)共晶组成.初生Ni3Ti相以枝晶方式生长,枝晶生长速度随熔体过冷度的增大以幂函数关系单调递增,最高可达12 mm/s,同时其体积分数逐渐减小至13.4%,并发生显著组织细化.在自由落体条件下,尽管合金液滴凝固组织的相组成并未发生变化,但随着过冷度的增大,初生Ni_3Ti相的生长被抑制,凝固组织由晶态向非晶态转变,且非晶相的体积分数线性增大.当直径小于275μm时,合金液滴实现了完全非晶态凝固.     

Pb液滴在Ni基底润湿铺展行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了Pb液滴在Ni(100)晶面、(110)晶面和(111)晶面的铺展润湿行为. 结果表明: Pb液滴在Ni(100)及(111)基底上的润湿铺展现象呈各向同性, 而在Ni(110)基底上的润湿铺展现象呈明显的各向异性, 且这种各向异性源于Ni(110)晶面点阵结构上Pb原子沿不同晶向的扩散机制及速度的明显差异; Pb液滴在Ni(111)晶面上铺展时, 未发生表面合金化, 液滴铺展动力学描述近似满足 R² ∝ t, 而液滴在(100)晶面和(110)晶面上铺展时表面产生合金化现象, 铺展动力学关系近似满足 R⁴ ∝ t, 且液滴在(100)晶面上的铺展速度高于(110)晶面上的铺展速度. 关键词： 分子动力学 润湿各向异性 铺展膜 扩散机制     

大块金属玻璃Al_(7.5)Cu_(17.8)Ni_(10.7)Zr_(64)的耐Ar~(2+)离子辐照性能研究

利用能量为3 Me V的Ar~(12+)离子辐照金属玻璃Al_(7.5)Cu_(17.8)Ni_(10.7)Zr_(64)和金属W,研究了金属玻璃的Ar离子辐照损伤,辐照剂量分别为1×1014,1×1015和1×1016ions/cm~2。XRD分析发现在不同剂量辐照下Al_(7.5)Cu_(17.8)Ni_(10.7)Zr_(64)均保持非晶为主要结构。不同剂量辐照后的金属玻璃样品表面没有明显的辐照损伤,而金属W在剂量为1×016ions/cm2时表面出现大面积不规则的裂纹和孔洞。AFM分析显示Al_(7.5)Cu_(17.8)Ni_(10.7)Zr_(64)的表面均方根粗糙度随辐照剂量的增大而增大;辐照后金属玻璃的表面硬度略有降低,而金属W的硬度有所升高。在低于金属玻璃的玻璃化转变温度时,金属玻璃Al_(7.5)Cu_(17.8)Ni_(10.7)Zr_(64)的耐Ar~(12+)溅射能力好于金属W。     

纳米液滴撞击柱状固体表面动态行为的分子动力学模拟

液滴撞击固体表面是一种广泛存在于工农业生产中的现象.随着微纳技术的发展,纳米液滴撞击行为的定量描述有待完善.采用分子动力学模拟纳米水滴撞击柱状粗糙铜固体表面的动态行为.分别在液滴速度为2—15?/ps,五种方柱高度和六种固体表面特征能的情况下分析液滴的动态特征.结果表明,随着液滴初始速度V_0的增加,其最终稳定状态先由Cassie态(V_0=2—3?/ps)转变为Wenzel态(V_0=4—10?/ps),然后再次呈现Cassie态(V_0=11—13?/ps).当V_0 13?/ps时,液滴发生弹跳.液滴最大铺展时间t_(max)与V_0关系曲线中存在拐点,并针对不同速度区域提出t_(max)与V_0的关系式.随着方柱高度的增加,液滴的稳定状态由Wenzel向Cassie态转变,液滴稳定状态的铺展半径逐渐减小.固体表面特征能e_s的增大使得液滴的铺展能力增强,液滴铺展后的回缩现象逐渐减弱直至消失.     

液滴在粗糙固体表面上的铺展特性

本文建立了粗糙固体表面上液滴铺展过程的理论模型并采用了格子Boltzmann方法进行数值模拟,研究了粗糙与光滑表面上液滴铺展过程的形貌变化。研究结果表明,无论表面光滑还是粗糙,液滴都沿着半径方向逐渐铺展,整体首先呈帽形,随着时间的推移,液滴在表面铺展成一平面。粗糙表面与光滑表面铺展特性间的差异主要在于粗糙表面液滴受到粗糙元干扰,其铺展形状随时间推移由圆形向八边形过渡.粗糙元间隙的增大导致液滴润湿半径增大,液滴厚度沿半径方向变化梯度降低。     

结构表面水蒸气凝结分子动力学模拟

近年来,有很多关于液滴在不同结构表面上的润湿过程的微观尺度研究,但是在结构表面上的凝结过程研究却很少。本文使用分子动力学模拟了水滴的动态润湿过程和水蒸气在具有不同结构参数的硅表面上的凝结过程。结果表明,不论是光滑表面还是具有纳米结构的表面,液滴在表面上最终都会呈现出球缺形状态。除此之外,气态水分子在结构间隙小的表面上倾向于在结构顶部聚集,而在结构间隙大的表面上倾向于在结构底部聚集。     

疏水表面上液滴滞后阻力的实验研究

水滴在接触物体表面上的移动过程所表现出的阻力特性与固体滑块之间发生相对位移时产生的摩擦阻力具有明显的差异。为了进一步揭示这一特性,本文动态测量了水滴在聚二甲基硅氧烷(PDMS)疏水表面上的移动过程,给出了定量解释。结果表明:在不同材料表面上水滴移动的动态特性并不相同,液滴在聚二甲基硅氧烷表面上移动的滞后阻力主要受铺展功到影响。     

YBa_2Cu_3O_(7-δ)/BaHfO_3/YBa_2Cu_3O_(7-δ)复合多层涂层导体的织构外延及临界电流特性北大核心CSCD

通过脉冲激光沉积技术(PLD),在氧化物缓冲层合金基底上外延生长一系列具有相同厚度,不同BaHfO3插层数(N=0、1、2、3)的YBa_2Cu_3O_(7-δ)/BaHfO_3/YBa_2Cu_3O_(7-δ)复合多层膜.X光衍射分析表明:所有样品都是c轴取向,随着层数的增加,薄膜的面内和面外织构有一定的退化.拉曼光谱图也可以看出除了N=3的样品有微弱的a轴峰,其它样品都只有c轴峰.通过扫描电镜观察发现,BaHfO_3插层的引入没有对YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导薄膜表面产生明显的影响,薄膜表面光滑无裂痕.通过原子力显微镜发现YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导薄膜的粗糙度在引入单层BaHfO3插层时最大,之后随着插层数的增加而减小.感应法测试表明,BaHfO3插层数为N=1时,YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导薄膜的临界电流密度Jc(77K,自场)达到2.86 MA/cm2.在场临界电流表明,引入较少BaHfO_3插层(N=1、2)表现相对好的磁场依赖关系.     

利用扫描隧道显微镜研究水分子在Cu(110)表面的吸附与分解

利用扫描隧道显微镜研究水分子在吸附有氧原子的Cu(110)表面的吸附与分解过程.室温条件下,氧原子(O)在Cu(110)表面吸附并自组装形成规则的沿[001]方向的(2×1)Cu-O链状结构.将吸附有氧原子的Cu(110)样品置于77 K低温条件下观察水分子的吸附与分解,发现在低温下水分子通过氢键与Cu-O链中的氧原子键合而吸附于Cu-O链的顶部和周围,吸附于Cu-O链周围的水分子自组装形成规则的六边形网状结构.通过针尖隧穿电子激发,六边形网状结构中的水分子与氧原子发生化学反应,反应生成的羟基与未参与反应的水分子键合在裸露的Cu(110)表面形成蜂窝网状结构.研究结果表明,Cu(110)表面吸附的氧原子有助于水分子在金属表面的吸附和组装,同时可以催化金属表面水分子的分解反应,对水汽转换实验研究具有一定的指导意义.     

线性、径向和环向偏振飞秒激光诱导非晶合金周期性表面结构（英文）

研究在复杂偏振条件下,飞秒激光诱导非晶合金Zr_(44)Ti_(11)Cu_(10)Ni_(10)Be_(25)(at%)表面周期性结构的形成机理.实验采用波长800 nm、脉宽120 fs的超短脉冲激光,分别在线性、径向、环向偏振条件下,诱导非晶合金表面生成复杂的周期性表面结构.表面结构由周期为652~723 nm的低频条纹和周期为1 304~1 765 nm的微型条纹组成.通过有限差分时域法仿真分析,发现微型条纹由粗糙表面引起的定向调制的表面散射电磁波与入射激光干涉形成.仿真结果与实验结果一致,验证了微型条纹形成机理的有效性.     

Amorphous transformation of ternary Cu45Zr45Ag10 alloy under microgravity condition

The influences of undercooling rate and cooling rate on the microstructural evolution of ternary Cu₄₅Zr₄₅Ag₁₀ alloy using single-roller melt spinning and drop tube are investigated. The rapidly quenched alloy ribbons achieve a homogeneous glass structure. The microstructure of the droplets transforms from the Cu₁₀Zr₇ dendrites plus (Cu₁₀Zr₇+AgZr) eutectic into Cu₁₀Zr₇ dendrite with the decrease of droplet diameter. As the diameter decreases to 180 μm, the Cu₄₅Zr₄₅Ag₁₀ alloy changes from crystal to amorphous structure, showing that the cooling rate is not the only influence factor and the undercooling play a certain role in the forming of the amorphous alloy at the same time under microgravity condition.     

微液滴在不同能量表面上润湿状态的分子动力学模拟

微小液滴在不同能量表面上的润湿状态对于准确预测非均相核化速率和揭示界面效应影响液滴增长微观机理具有重要意义. 通过分子动力学模拟, 研究了纳米级液滴在不同能量表面上的铺展过程和润湿形态. 结果表明, 固液界面自由能随固液作用强度增加而增加, 并呈现不同液滴铺展速率和润湿特性. 固液作用强度小于1.6的低能表面呈现疏水特征, 继续增强固液作用强度时表面变为亲水, 而固液作用强度大于3.5的高能表面上液体呈完全润湿特征. 受微尺度条件下非连续、非对称作用力影响, 微液滴气液界面存在明显波动, 呈现与宏观液滴不同的界面特征. 统计意义下, 微小液滴在不同能量表面上铺展后仍可以形成特定接触角, 该接触角随固液作用强度增加而线性减小, 模拟结果与经典润湿理论计算获得的结果呈现相似变化趋势. 模拟结果从分子尺度为核化理论中的毛细假设提供了理论支持, 揭示了液滴气液界面和接触角的波动现象, 为核化速率理论预测结果和实验测定结果之间的差异提供了定性解释.     

分子动力学模拟方解石和白云石润湿性

利用分子动力学模拟研究油水分子在方解石和白云石表面的吸附,分析体系的平衡构型、相对浓度、径向分布函数和吸附能,研究方解石和白云石的亲水性并对比二者差异.根据油水分子吸附规律分析方解石/白云石-油水体系作用机理.研究表明：白云石-油水体系更易达到热力学稳定状态并且体系更加稳定;方解石和白云石表面均能够优先吸附水分子并在表面形成双层结构的水膜.其中,白云石表面对水分子吸附强度大于方解石;稳定吸附过程分为两步：范德华力、静电力和O（CaCO₃,CaMg（CO₃）₂）-H（H₂O）氢键共同影响下水分子向晶体表面移动并吸附形成紧密吸附层;O（H₂O）-H（H₂O）氢键作用下游离的H₂O向晶体表面靠近形成扩散层.从分子尺度解释方解石/白云石亲水特性,为碳酸盐岩储层润湿性研究奠定理论基础.     

二十面体团簇的遗传:一个与快凝Cu56Zr44合金玻璃形成能力有关的动力学参数

采用分子动力学方法模拟研究了液态Cu₅₆Zr₄₄合金在不同冷速γ与压力P下的快速凝固过程, 并通过基于Honeycutt-Andersen键型指数的扩展团簇类型指数法对其微结构演变特性进行了分析. 结果表明: 快凝玻璃合金的局域原子组态主要是(12 12/1551)规则二十面体、以及 (12 8/1551 2/1541 2/1431)与(12 2/1441 8/1551 2/1661) 缺陷二十面体. 通过原子轨迹的逆向跟踪分析发现: 从过冷液体中遗传下来的二十面体对快凝合金的玻璃形成能力(GFA)具有重要影响, 不仅其可遗传分数F_i =N_{300 K←Tg}ⁱ/N_Tg 与GFA密切相关, 而且其遗传起始温度(T_onset)与合金约化玻璃转变温度T_rg = T_g/T_m也存在很好的对应关系.     

Topography driven spreading

Roughening a hydrophobic surface enhances its nonwetting properties into superhydrophobicity. For liquids other than water, roughness can induce a complete rollup of a droplet. However, topographic effects can also enhance partial wetting by a given liquid into complete wetting to create superwetting. In this work, a model system of spreading droplets of a nonvolatile liquid on surfaces having lithographically produced pillars is used to show that superwetting also modifies the dynamics of spreading. The edge speed-dynamic contact angle relation is shown to obey a simple power law, and such power laws are shown to apply to naturally occurring surfaces.     

快凝过程中液态Cu64Zr36合金二十面体团簇遗传与演化跟踪

采用分子动力学方法模拟研究了液态Cu₆₄Zr₃₆合金在冷速50 K/ns下 的快速凝固过程, 并通过双体分布函数、Honeycutt-Andersen (H-A) 键型指数和团簇类型指数对其微结构演变特性进行了分析. 液态与快凝玻璃合金的主要原子组态都是二十面体(12 0 12 0)及其变形结构 (12 8/1551 2/1541 2/1431), 其中比例最高的是Cu芯Cu₈Zr₅基本原子团, 其次是Cu₇Zr₆和Cu₉Zr₄团簇; 并且由这些二十面体基本原子团铰链形成的中程序, 其尺寸分布在液相和固相中分别呈现出13, 19, 25,···和13, 19, 23, 25, 29, 37,···的幻数特征. 团簇的演化与跟踪分析发现: 没有任何团簇能从液态直接遗传到固态合金, 遗传的起始温度出现在T_m–T_g过冷液相区. 二十面体团簇的遗传主要以完全和直接遗传为主, 并且一个明显的增加发生在T_g附近. 在玻璃化转变温度T_g以下, (12 0 12 0) 二十面体比 (12 8/1551 2/1541 2/1431) 变形二十面体具有更高的结构遗传能力, 但仅有少部分在遗传过程中能保持化学成分的恒定. 通过部分遗传, 某些二十面体中程序甚至也能从过冷液体中被遗传到玻璃合金. 关键词： 快速凝固 分子动力学 二十面体团簇 遗传     

Charge Separation at the Evaporation (Condensation) Front of Water and Ice. Charging of Spherical Droplets

Charge separation at evaporation (condensation) front of water and ice is analyzed. Relatively low distribution coefficient of protons and hydroxide ions between vapor and condensed phase that is less than the distribution coefficient of water molecules leads to accumulation of protons and hydroxide ions at the phase front upon evaporation and a decrease in the amount of such species upon condensation. Interphase charge separation is caused by the subsequent diffusion of nonequilibrium protons and hydroxide ions. The charge separation is also affected by the double electric layer generated by orientation defects at the water and ice surfaces. Dependences of electric field at a plane surface of water and ice on the rate of phase transformation are calculated. Electric charges of spherical water droplets are estimated at different field strengths and droplet radii.     

Dependence of wetting on cavitation during the spreading of a filler droplet on the ultrasonically agitated Al substrate

The cavitation characteristics during the spreading of a pure Sn liquid droplet subjected to ultrasonication were studied for the first time through high-speed photography to reveal the wetting mechanism. Ultrasonic vibration realized the spreading of Sn droplet on the nonwetting pure Al substrate. However, the oxide layer of the substrate at the spreading front is difficult to remove. The high-speed photography result shows that a noncavitation region consistently appears at the spreading front, because the acoustic pressure is below the cavitation threshold of 1.26 MPa. In particular, the width of the noncavitation region gradually increases as the size of the spreading area increases. Such a result accounts for the condition wherein the oxide layer at the spreading front is difficult to remove. Furthermore, the bubble density during spreading gradually decreases due to the decreased acoustic pressure of the thinned liquid. Finally, the bubble dynamics were calculated to verify the wetting mechanism.     

A STUDY OF THE CRYSTALLIZATION OF AMORPHOUS Cu60Zr40 ALLOY

The crystallization of the amorphous Cu₆₀Zr₄₀ alloy has been studied by differential scanning calorimetry (DSC), scanning Auger microprobe (SAM) and transmission electron microscopy (TEM). The DSC trace showed that the sample exhibited a glass transition at 750 K and a strong exothermic effect beginning from 782 K. An enrichment of the element Zr and significant oxygen contamination in a zone near the surface to a depth of about 10 nm were revealed by SAM in the analysis of surface competition and depth profiles of the Cu₆₀Zr₄₀ sample. Also, the change of concentration ratio of Ca to Zr in amorphous matrix at the clean Cu₆₀Zr₄₀ surface as a function of annealing temperature was examined in detail, and it was found that the concentration of Zr at the surface is slightly higher than that in the bulk until 780K and that the concentration ratio of Cu to Zr in matrix has an abrupt increase in the temperature range of 780-800K. The observations by high resolution TEM revealed the appearance of cluster-like regions of approximately 1.5-2.0 nm in size just before crystallization and they distributed randomly throughout the sample. This phenomenon is analogous to the results obtained using field ion microscopy (FIM) by the present authors. The microstructural changes of the sample daring heating show the gradual crystallization of the amorphous matrix.