微重力条件下Ni-Cu合金的快速枝晶生长研究

采用落管方法实现了Ni-50%Cu过冷熔体在微重力和无容器条件下的快速枝晶生长.对微重力条件下的晶体形核和快速生长进行了研究，发现随着过冷度的增大，晶体生长形态由粗大枝晶向规划均匀的等轴晶转变.实验中最大冷却速率达到8×103K/s，获得了218K(014TL)的最大过冷度.理论分析表明，过冷熔体中优先发生异质形核，形核率可达1012m-3s-1以上；Ni-50%Cu过冷熔体中的枝晶生长随过冷度的增大发生由溶质扩散控制向热扩散控制的生长动力学机理转变.在68K过冷度条件下，生长界面前沿的偏析程序最大. 关键词： 落管 微重力 深过冷 枝晶 熔体     

KTa1-xNbxO3晶体生长固/液边界层结构的微区研究

测量了KTa_1－xNb_xO₃(KTN)晶体在常温和高温下的Raman光谱;实时测量了晶体生长过程中,固/液边界层内以及边界层两侧的晶体和熔体的高温显微Raman光谱.通过光谱分析获得了KTN晶体生长固/液边界层内的结构特征,以及晶体生长基元从熔体结构经边界层过渡到晶体结构的变化规律.研究表明,KTN熔体中的 结构基团进入到生长边界层后逐步转化为 八面体结构基团,已具有KTN单胞的一些特征.进而讨论了以 八     

BSO晶体生长固/液边界层结构的实时观测研究

实时测量BSO晶体水平区熔法生长过程中,研究固/液边界层以及边界层两侧的晶体和熔体的显微拉曼光谱,晶体生长固/液边界层以及边界层两侧的熔体和晶体的结构特征, 生长基元结构从熔体结构经边界层过渡到晶体结构的变化过程。结果显示, BSO熔体中存在Bi₃O₄和[SiO₄]的键合结构; Bi₃O₄分子基团在固/液边界层聚合形成[BiO₇]八面体单体、多聚体,与[SiO₄]结构基团联结,在通过固／液边界层时进入格位。     

BSO晶体及生长固/液边界层的拉曼光谱分析

测量了 BSO晶体在常温和高温下宏观拉曼光谱 ,据此分析晶体结构在高温下的变化规律 ,详细实时地测量了晶体在熔化和生长过程中 ,固 /液边界层以及边界层两侧的晶体和熔体的显微拉曼光谱 ,分析得出该晶体生长边界层内的结构特征 ,以及生长基元结构从熔体结构经边界层过渡到晶体结构的变化过程     

热扰动对过冷熔体中二次枝晶生长影响的相场法模拟

用相场法模拟了过冷纯物质二次枝晶的生长过程，并定量地研究了过冷度、各向异性、热扰动振幅等参数对二次枝晶的影响. 通过加入热扰动，相场法能更真实地模拟过冷熔体中二次枝晶的生长，计算得到的二次枝晶间距和幅值与由Wentzel_Kramers_Brillouin方法得到的结果符合较好. 模拟结果表明，过冷度和各向异性对二次枝晶有较大影响. 当过冷度增大时，二次枝晶间距随之减小；当各向异性增大时，二次枝晶间距随之增大，但二次枝晶幅值则随之减小. 热扰动振幅主要影响二次枝晶幅值，而对二次枝晶间距影响较弱. 关键词： 相场法 热扰动 枝晶生长 二次枝晶     

快速凝固Co-Cu包晶合金的电学性能

研究了Co-Cu包晶合金快速凝固过程中的相选择和组织形成特征, 探索了冷却速率、组织结构和晶体位向与合金电阻率之间的相关规律.实验发现, 快速凝固可使Co在(Cu)中的固溶度扩展至20%.Cu含量大于80%时, L+αCo→(Cu)包晶转变被抑制, (Cu)可从过冷熔体中直接形核析出.Cu含量在40%—70%范围时, Co-Cu合金的液相分离受到抑制, 凝固组织沿条带厚度方向分为两个晶区.细晶区中αCo和(Cu)相竞争形核并生长, αCo枝晶形态细密，细小的（Cu）等轴晶均匀分布于αCo的基体之中.粗晶区αCo相为领先相, 富Cu相分布于αCo枝晶的晶界处.随着冷速的增大, 合金组织显著细化, 晶界增多,对自由电子的散射作用增强, 合金电阻率显著增大.当晶界散射系数r＝0996—0999时, 可采用M-S模型综合分析快速凝固Co-Cu合金的电阻率. 关键词： 电阻率 快速凝固 相结构 晶体生长     

二元合金等温凝固过程的相场模型

基于Ginzberg-Landau理论，发展了一个与WBM模型和KKS模型一致的新相场模型.并利用该相场模型与溶质场耦合计算，以Al-65%Cu合金为例模拟了不同过冷度条件下，二元合金凝固过程的等轴枝晶生长过程.研究过冷度对二元合金等温凝固过程的等轴枝晶生长以及溶质场分布的影响.结果表明：随着过冷度的增大，枝晶的二次枝晶更加发达，浓度Peclet数和枝晶尖端的生长速率增大，而枝晶尖端的曲率半径减小，枝晶前沿的溶质富集现象也更严重；另外，计算结果与Ivantsov理论符合较好. 关键词： 相场法 枝晶生长 溶质场 Ivantsov理论     

三元等原子比Fe_(33.3)Cu_(33.3)Sn_(33.3)合金的快速凝固机理与室温组织磁性研究

采用自由落体和熔体急冷两种实验技术实现了三元等原子比Fe_(33.3)Cn_(33.3)Sn_(33.3)合金的快速凝固,研究了其组织形成机理和室温磁性特征.实验发现,合金熔体在不同快速凝固条件下都没有发生液相分离,其室温组织均由初生αFe相枝晶以及CU_3SU和CU_6Sn_5二个包晶相组成计算表明,落管中合金液滴的表面冷却速率和过冷度分别达1.3×10~5 K·s~(-1)和283 K(0.19 T_L)当表面冷却速率增大至3.3×10~3 K·s~(-1),初生αFe相发生由粗大枝晶向碎断枝晶的演化.急冷快速凝固过程中,初生αFe相凝固组织沿辊面向自由面方向形成细晶区和粗晶区,其中细晶区以粒状晶为特征而粗晶区存在具有二次分枝的树枝晶随着表面冷却速率由8.9×10~6增大至2.7×10~7 K·s~(-1),αFe相平均晶粒尺寸显著减小,合金条带的矫顽力增大一倍多.     

液态Ti-Al合金的深过冷与快速枝晶生长

采用电磁悬浮和自由落体两种试验技术研究了液态Ti-25 wt.%Al合金的亚稳过冷能力、晶体形核机制和枝晶生长过程. 试验发现, 即使电磁悬浮无容器状态下仍难以消除润湿角θ ≥60°的异质晶核, 合金熔体过冷度可达210 K (0.11T_L). β-Ti相形核的热力学驱动力随过冷度近似以线性方式增大, 其枝晶生长速度高达11.2 m/s, 从而在慢速冷却条件下实现了快速凝固. 理论计算表明, 随着过冷度的逐步增大, β相枝晶生长从溶质扩散控制转变为热扩散控制. 当过冷度超过100 K时, 非平衡溶质截留效应可使合金熔体发生无偏析凝固. 然而, 单靠深过冷状态不足以抑制β相的后续固态相变. 对于落管中快速凝固的直径77-1048 μm合金液滴, 其冷却速率最高达1.05×10⁵ K/s, 深过冷与快速冷却的耦合作用能更有效地调控凝固组织形成过程.     

界面动力学对过冷熔体中球晶生长界面形态的影响

考虑了在非平衡凝固条件下球晶生长过程中界面动力学系数随界面温度的变化,利用渐近分析方法求出了在过冷熔体中球晶生长温度场和界面的近似解析解,研究了非线性界面动力学过冷对于过冷熔体中球晶界面形态和生长速度的影响.研究表明,界面动力学系数越大,球晶的生长速度越快; 反之,表明界面动力学系数越小,球晶的生长速度越慢.与忽略界面动力学的情形比较,在球晶生长过程中依赖于界面温度变化的界面动力学显著地减缓了晶体生长的速度. 关键词： 球晶 界面形态 渐近分析     

About the kinetics of normal crystal growth

Usually, the kinetic coefficient of crystal growth, i.e. the coefficient of proportionality of the crystal growth velocity to the undercooled temperature, is supposed to be a constant parameter. In the present study we show that this assumption is valid only for low undercooling temperatures, and in general it is a function of temperature. The kinetic coefficient was found to be a linear function of the temperature of the crystal/melt interface, which becomes zero for the glass transition temperature. PACS 81.10.AJ     

晶体相场法模拟异质外延过程中界面形态演化与晶向倾侧

采用晶体相场模型研究了异质外延过程中失配应变与应力弛豫对外延层界面形态演化的影响, 并对由衬底倾角引起的外延层晶向倾侧进行了分析.研究结果表明: 在有一定倾角的衬底晶体上进行外延生长时,若衬底和外延层之间失配度较大 (ε>0.08),外延层中弹性畸变能会以失配位错的形式释放, 最终薄膜以稳定的流动台阶形式生长且外延层的晶向倾角与衬底倾角呈近似线性关系. 而当衬底和外延层之间失配度较小(ε<0.04)不足以形成失配位错时, 外延层中弹性畸变能会以表面能的形式释放,最终使薄膜以岛状形态生长. 在高过冷度条件下,衬底倾角和失配度较大时,衬底和外延层之间会形成由大量位错规则排列而成的小角度晶界从而显著改变外延层的生长位向.     

Phase field theory of heterogeneous crystal nucleation

The phase field approach is used to model heterogeneous crystal nucleation in an undercooled pure liquid in contact with a foreign wall. We discuss various choices for the boundary condition at the wall and determine the properties of critical nuclei, including their free energy of formation and the contact angle as a function of undercooling. For particular choices of boundary conditions, we may realize either an analog of the classical spherical cap model or decidedly nonclassical behavior, where the contact angle decreases from its value taken at the melting point towards complete wetting at a critical undercooling, an analogue of the surface spinodal of liquid-wall interfaces.     

晶体相场法研究预变形对熔点附近六角相/正方相相变的影响

应用双模晶体相场模型计算二维相图,并模拟了在熔点附近预变形和保温温度对六角相晶界演化以及六角相/正方相相变的影响.研究发现:在相变初期,当预变形为零、保温温度离熔点很近时在晶界发生缺陷诱发预熔;增大预变形,变形与缺陷的交互作用在熔点附近诱发预熔;随着预变形的进一步增大,变形在畸变处同时诱发液相和正方相,且预变形越大、保温温度越接近熔点,液相生长越明显,反之正方相生长明显.持续保温使得畸变能释放,晶粒最终完全转变为平衡正方相.模拟结果表明:预变形六角相在熔点附近保温时,由于晶界固有缺陷和预变形双重作用使得原子无序度增加,从而在晶界或其他缺陷处产生液相,待能量释放后晶粒再转变成平衡正方相,进而延缓了六角相/正方相相变时间.     

单晶合金激光熔凝过程中晶向对单晶完整性的影响

运用几何模型对单晶合金激光熔凝过程中激光扫描方向与[100]方向夹角ξ变化时熔池内的枝晶生长方向和速度进行了计算,研究了ξ增大时不同晶向区域的分布变化规律.发现随着ξ的增大, 0]区域增大,[010]区域减小,且熔池两边不同部分速度差别增强.根据速度变化规律,构造出了熔池不同部位的过冷区域变化图,说明了可能出现新晶粒的趋势变化,并与实验结果进行了比较,揭示了在晶向不同的交界区域产生新晶粒的内在机理. 关键词： 单晶合金 激光熔凝 晶向 组成过冷     

直拉硅单晶生长过程中工艺参数对相变界面形态的影响

为改善晶体相变界面形态,提高晶体品质,提出了一种融合浸入边界法（immersed boundary method,IBM）和格子Boltzmann法（lattice Boltzmann method,LBM）的二维轴对称浸入边界热格子Boltzmann模型来研究直拉法硅单晶生长中的相变问题.将相变界面视为浸没边界,用拉格朗日节点显式追踪相变界面;用LBM求解熔体中的流场和温度分布;用有限差分法求解晶体中的温度分布.实现了基于IB-LBM的动边界晶体生长过程研究.得到了不同晶体生长工艺参数作用下的相变界面,并用相变界面位置偏差绝对值的均值和偏差的标准差来衡量界面的平坦度,得到平坦相变界面对应工艺参数的调整方法.研究表明,相变过程与晶体提拉速度、晶体旋转参数和坩埚旋转参数的相互作用有关,合理地配置晶体旋转参数和坩埚旋转参数的比值,能够得到平坦的相变界面.     

光控二维光子晶体光开关

提出了一种调节液晶光子晶体光子带隙的方法。二维三角介质柱形光子晶体位于2块熔凝石英片之间,在介质柱之间填充各向同性排列的液晶,受偏振紫外光照射后,光诱导液晶分子定向排列,通过光诱导液晶分子取向改变液晶的折射率。数值模拟结果表明：通过外界光场控制所填充的向列相液晶分子的方向可以对这种二维三角形介质柱光子晶体的禁带结构进行调节。该可调光子晶体可控制波导中TM模和TE模的选择性传输,因而可应用于制作全光光开关。     

Investigation of thermal influence on the bandgap properties of liquid-crystal photonic crystal fibers

We have analyzed the thermal influence on the bandgap properties of liquid-crystal photonic crystal fibers. The bandgap parameters which affect the transmission conditions have been investigated. It is observed that the photonic bandgap can be thermally tuned, i.e. the red or blue shift of the bandgap results from the temperature dependence of the refractive index of the liquid crystal. For the planar alignment of liquid-crystal filled cladding, the ordinary refractive index plays a major role in determining the bandgap properties; the extraordinary refractive index comes into influence while the ordinary refractive index is relatively constant of temperature. The analyses agree well with the experiments results.     

基于亚波长光栅结构的硅基液晶器件模型研究

金(Au)亚波长光栅被溅射到经典硅基液晶(LCoS)的ITO电极上,它与薄液晶盒和底层铝电极组成复合共振波导结构,简称GLCoS。与基于液晶传播效应的LCoS截然不同,在GLCoS中,上电极的表面等离激元与光栅槽中的TM-FP (TM-Fabry Pérot)共振耦合,诱导一个0阶反射的相位调制;铝(Al)电极既是反射背板又与Au光栅、薄液晶盒组成波导,使共振耦合得到增强。在操控光波阵面的同时,GLCoS也作为电控器件,施加电压改变液晶的折射率,进而控制开腔FP的边缘介质条件,达到有源0~2π相位调制。实验结果表明,本文结构可用于1μm量级像素的相位空间光调制器,在高空间带宽积的全息视频显示中具有广阔的应用前景。