界面能各向异性对定向凝固枝晶生长的影响

采用元胞自动机 (cellular automaton, CA) 模型研究了界面能各向异性对二维定向凝固枝晶生长的影响. 模拟结果显示当晶体的择优生长方向与热流方向一致时, 随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由弱界面能各向异性时的海藻晶转变为强界面能各向异性时的树枝晶. 同时, 界面能各向异性强度会影响稳态枝晶尖端状态的选择, 界面能各向异性越强, 定向凝固稳态枝晶尖端半径越小, 尖端界面前沿的液相浓度和过冷度越小. 稳态枝晶生长的尖端状态选择参数与界面能各向异性强度也存在标度律的指数关系, 而枝晶一次间距则受界面能各向异性强度影响较弱. 当晶体的择优生长方向与热流方向呈-40°夹角时随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由海藻晶逐渐转变为退化枝晶, 后又逐渐转变为倾斜枝晶. 关键词： 元胞自动机 枝晶 界面能各向异性     

各向异性系数对等温结晶冰晶生长相场法模拟的影响

采用国内外描述相变微观结构的相场模型,将果汁体系视为水和溶质组成的二元系统,探究各向异性系数取值对冰晶相貌及溶质分布模拟的的影响.结果表明:随着各向异性系数的增大,冰晶的二次分枝越来越发达,其尖端生长速度变快,且尖端速度波动的幅值增大;冰晶生长速度越快,则凝固时间越短,溶质扩散层越薄.各向异性系数在0.025左右取值,较能反映冰晶实际生长形貌.     

六方小面相螺旋在各向异性、表面吸附、界面动力学作用下生长的相场

利用定量相场模型研究了强各向异性、表面吸附率以及界面动力学作用条件下六方Ga N螺旋结构的表面形貌与生长机理.通过引入小面相各向异性的相场修正方程,研究了不同各向异性的稳态螺旋形貌,发现各向异性通过改变台阶尖端的曲率作用影响螺旋生长.弱各向异性下稳态螺距及界面动力学特征相对稳定,各向异性较强时尖端的过饱和度随着各向异性的增强而增大,并使得界面平衡态向着有利于螺旋台阶推进的方向移动.研究了表面吸附率对小面相螺旋生长的作用机理,发现吸附率的增加导致了稳态螺旋间距的降低,通过分析螺旋间距随台阶宽度的变化趋势,发现增强的表面吸附和各向异性强度降低了螺旋间距的收敛性,并且具体分析了收敛性误差;通过探讨界面动力学作用条件下螺旋形貌特征以及螺旋间距变化趋势,发现界面动力学系数通过改变稳态螺旋间距与特征指数因子调控螺旋生长的动力学机理,与各向同性相比小面相螺旋生长表现出较低的界面动力学系数依赖性.     

相场模型模拟液固界面各向异性作用下自由枝晶生长

采用自适应有限元方法求解相场模型,分别对界面能各向异性和界面动力学各向异性条件下自由枝晶生长过程进行了模拟.计算表明两种各向异性均显著影响枝晶的生长,随着各向异性的增大枝晶尖端生长速度增大,尖端半径降低. 两种各向异性对自由枝晶生长有着不同形式的影响,在界面能各向异性条件下,枝晶生长稳定性系数与各向异性系数成幂函数关系;而在动力学各向异性条件下,稳定性系数与各向异性系数成线性关系. 关键词： 界面能各向异性 动力学各向异性 自由枝晶生长 相场模型     

用CA方法模拟界面能各向异性对胞晶生长形态的影响

用元胞自动机（CellularAutomaton,CA）模型研究了界面能各向异性对二维定向凝固胞晶的生长形态的影响,建立了判定胞晶生长达到稳态的判据．结果显示,当界面能各向异性强度非常小时,胞晶尖端很容易分岔,胞晶形态不容易稳定．而当界面能各向异性强度足够大时,容易形成稳定的胞晶形态,同时界面能各向异性强度会显著影响稳定胞晶的形态,界面能各向异性越强,稳态胞晶间距越小,胞晶尖端半径越小,尖端半径与胞晶间距的比值越小,固液界面前沿的浓度与过冷度越小．     

压强对GaSb/GaAs量子点形貌各向异性的影响

采用低压金属有机物化学气相沉积(LP-MOCVD)技术在Ga As(001)衬底上制备Ga Sb量子点,研究了反应室压强对改善Ga Sb/Ga As量子点形貌各向异性的影响。通过Sb表面处理方法,在Ga As衬底上形成低表面能的Sb-Sb浮层,实现以界面失配(IMF)生长模式对Ga Sb量子点诱导生长。用原子力显微镜(AFM)对各样品的量子点形貌进行了表征,结果表明Ga Sb量子点形貌各向异性明显且沿[110]方向拉长。在压强条件为10 k Pa时,IMF生长模式导致不对称岛的长宽比大于3,由于低能量(111)侧面的存在,Ga Sb量子点优先沿[110]方向生长而不是与之垂直的[110]方向。压强降低至4 k Pa时量子点密度增大为8. 3×109cm-2,量子点形貌转变为对称的半球形且长宽比约为1。低的压强降低了吸附原子的扩散激活能从而增大了扩散长度,可以有效改善Ga Sb量子点的各向异性。     

各向异性界面动力学与各向异性表面张力的相互作用对定向凝固过程中深胞晶生长的影响

通过应用匹配渐近展开法和多变量展开法研究了各向异性界面动力学与各向异性表面张力的相互作用对定向凝固过程中深胞晶生长的影响.结果表明:当各向异性界面动力学与各向异性表面张力的偏好方向之间相差角度为θ_0时,θ_0会对深胞晶生长形态产生影响;当0≤θ_0≤π/4时,随着θ_0的增大,深胞晶的指状界面全长减小,深胞晶根部的深度减小,根部附近界面的曲率减小,而曲率半径增大;当π/4≤θ_0≤π/2时,随着θ_0的增大,深胞晶的指状界面全长增大,深胞晶根部的深度增大,根部附近界面的曲率增大,而曲率半径减小.     

过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟

利用相场法模拟了过冷纯金属熔体中的枝晶生长过程,研究了各向导性、界面动力学、热扩散和界面能对枝晶生长的影响.结果表明,热噪声可以促发侧向分支的形成,但不影响枝晶尖端的稳态行为;随着各向异性的增加,枝晶尖端生长速度增加,尖端半径减小;当界面动力学系数减小及在界面动力学系数小于1的条件下热扩散系数减小时,枝晶尖端生长速度随之减小,而尖端半径相应增大;界面能趋于增大枝晶尺度并保持界面在扰动下的稳定,界面能越大,形成侧向分支的趋势越小 关键词： 过冷 枝晶生长 相场法 数值模拟     

各向异性表面张力对定向凝固中深胞晶生长的影响

利用匹配渐近展开法和多变量展开法求出定向凝固深胞晶生长的浓度场和界面形态的全局渐近解,研究各向异性表面张力对定向凝固深胞晶生长的影响.结果表明,各向异性表面张力对定向凝固过程深胞晶生长有显著的影响.随着各向异性表面张力增大,胞晶前端部分浓度减小而胞晶界面收缩;胞晶根部的浓度增大而界面曲率增大或根部的曲率半径减小,各向异性表面张力使得深胞晶界面振幅增加.本文结果能够计算定向凝固过程中深胞晶生长的浓度、界面形态.     

γ-α相变中不同晶界特征下铁素体生长形貌的相场模拟

利用多相场模型模拟了奥氏体(γ)-铁素体(α)相变过程中不同晶界特征下铁素体晶粒的形貌与生长动力学.模型中通过能量梯度系数和耦合项系数的协同变化定量表达晶界能与晶界迁移率的各向异性,同时固定相场界面宽度来保证计算精度.模拟结果显示:随着原奥氏体晶界能与铁素体-奥氏体晶界能比值σ_(γ,γ)/σ_(α,γ)的增加,三叉相界面处的平衡角β减小,铁素体晶粒沿原奥氏体晶界与垂直于奥氏体晶界方向的生长速率差变大.铁素体与奥氏体晶粒间的晶粒取向越接近,铁素体生长越缓慢.模拟结果可描述铁素体晶粒生长形貌的多样性,与实验结果符合.     

肿瘤冻融相变传热过程的数值模拟

本文建立了肿瘤组织多孔介质冻融相变传热的数学模型.采用显热容法研究模拟了冷热交替治疗过程中肿瘤组织中温度场分布以及冰晶增长和融化过程.研究结果表明,当冷刀进入组织以后,组织内会产生冰晶的生长.当冷刀的温度上升时,开始时在冷刀侧附近冰晶融化,出现一个冰晶融化的相界面;随着冷刀温度的上升,逐步出现两个冰晶融化的相界面.血液灌注率的存在使组织冻结速度变慢.     

基于分形理论的超音速等离子喷涂层界面结合行为研究

为研究结合界面形貌与涂层体系结合强度之间的关系,采用超音速等离子喷涂设备制备Fe基合金涂层,选用(Ni,Al)涂层作为黏接底层.通过改变Ar气流量,获得不同粗糙表面的黏接底层.采用对偶件拉伸法测量复合合金涂层体系的结合强度,同时引入分形理论对结合界面形貌进行定量表征,结果表明:黏接底层能显著提高涂层的结合强度,随着Ar气流量的升高,黏接底层表面分形维数不断降低,涂层体系的结合强度则呈现出先增大后减小的趋势.     

不稳定液体基底上溅射金属Ag薄膜的非平衡生长

本文研究了不稳定液体基底上溅射金属薄膜的非平衡生长现象。实验发现：此类薄膜的生长速率不再是常数，与基底温度、表面覆盖率密切相关；薄膜的表面形貌受到了基底温度、溅射功率、固体-液体界面性质等因素的复杂影响。分析表明：生长界面的表面张力及其各向异性对薄膜生长过程起着重要的作用。     

Ti-6Al-4V合金中片层组织形成的相场模拟

Ti-6Al-4V是典型的α+β钛合金,不同热处理制度和热加工工艺下可得到形貌各异的微观组织,从而表现出不同的力学性能,深刻理解合金中微观组织的形成机制有助于合金的进一步优化和改造.采用相场方法模拟Ti-6Al-4V合金中片层组织的形成及演化,以热力学数据库和动力学数据库为输入,通过计算定量预测β晶界上已存在初生α相时合金组织随时间的演化.结果表明,在一定条件下,随着时间的延长晶界α向β晶内生长形成片层组织,片状α簇的形貌与界面能各向异性密切相关;晶界取向对片层生长有重要作用,垂直于晶界生长时产生最密集的片层,随倾斜角增大片层加厚且生长缓慢;此外,热处理温度显著改变片层组织形貌,温度越高,片层尖端生长速度越慢,片层间距越大. 关键词： Ti-6Al-4V 相场模拟 片层组织     

柱面内爆驱动金属界面不稳定性的数值模拟研究

对柱面爆轰驱动内壁刻有正弦扰动的金属钢壳与内部硅橡胶界面产生不稳定性问题进行数值模拟,计算结果与实验结果定性符合.与不考虑金属强度情况对比分析认为,未熔化状态下金属强度对不稳定性具有较强抑制作用,在某些加载条件下会使扰动增长率随扰动模数增加而减小.之后,对强度因素影响下内爆压缩驱动金属不稳定性问题的扰动发展规律进行了总结.在聚心反射波到达壳体之前,造成初始界面反转的RM不稳定性起主导作用,随着扰动模数增加扰动由呈近似线性发展到基本不发展变化,基本不变化后的扰动振幅也随模数增加而减小.聚心反射波作用到壳体内界面后,减速RT不稳定性作用明显增强,与强度等因素共同作用造成扰动呈明显非线性发展.无论是前期RM不稳定性主导阶段还是之后以减速RT不稳定性为主的扰动发展阶段,强度因素均能造成未熔化状态下金属不稳定性截止波长存在.     

基于MeshTV界面重构算法的二元合金自由枝晶生长元胞自动机模型

本文基于MeshTV界面重构算法, 发展了二元合金凝固自由枝晶生长的元胞自动机 (cellular automaton, CA) 模型. 通过采用MeshTV界面重构算法, 在细化的界面元胞内重构出了固液界面的位置. 在此基础上, 发展了一种同时适合描述纯物质与合金凝固界面生长的动力学模型. 与非界面重构的CA模型相比, 本文所发展的模型可以在较大的网格尺寸下实现模型的收敛, 同时网格各向异性不明显, 且能够反映界面能各向异性参数ε 对自由枝晶生长的影响. 在ε =0.02时, 通过与描述自由枝晶生长的LGK理论模型相比较, 发现计算的枝晶尖端速度与LGK理论模型的预测符合较好, 而计算的枝晶尖端半径比LGK理论预测值大于约20%.     

BCC枝晶生长原子堆垛过程的晶体相场研究

通过在自由能泛函中引入各向异性参数得到了一个基于高斯内核的改进晶体相场模型, 并采用该模型研究了体心立方结构(BCC)枝晶生长的原子堆垛过程. 结果表明, 在BCC由正十二面体平衡形貌演化为枝晶组织过程中, 形核位置经历了由面心({110}面)到尖端(<100>取向)的转移, 进而发生界面失稳形成枝晶组织; 枝晶生长过程中, 新的固相原子首先在枝晶尖端附近形核, 并快速向尖端及根部生长, 枝晶尖端被新原子完全包覆后将再次诱发液相原子附着形核及生长; 随初始液相密度的增加, 固-液界面移动速率增加, 速率系数的各向异性也增强.     

天然绿柱石晶体中生长区界面的X射线形貌和光学双折射形貌研究

用X射线形貌术及光学双折射形貌术对天然绿柱石晶体中的生长区界面进行了研究。观测发现,同类生长区的界面在两种形貌中通常不出现可见的衬度;异类生长区界面中,t-s界面在X射线形貌中呈现动力学干涉条纹衬度,表明它们具有平移型界面的特征,根据消光规律知其相应的位移矢量很可能与界面垂直;在双折射形貌中,异类生长区界面衬度的出现与界面两侧存在不同的长程应变场有关。实践表明,两种形貌术互相补充,互相参证,在生长区界面的研究中是十分有效的。     

天然绿柱石晶体中生长区界面的X射线形貌和光学双折射形貌研究

用X射线形貌术及光学双折射形貌术对天然绿柱石晶体中的生长区界面进行了研究。观测发现,同类生长区的界面在两种形貌中通常不出现可见的衬度;异类生长区界面中,t-s界面在X射线形貌中呈现动力学干涉条纹衬度,表明它们具有平移型界面的特征,根据消光规律知其相应的位移矢量很可能与界面垂直;在双折射形貌中,异类生长区界面衬度的出现与界面两侧存在不同的长程应变场有关。实践表明,两种形貌术互相补充,互相参证,在生长区界面的研究中是十分有效的。 关键词：     

微通道内冰晶生长过程的相场模拟

为研究微通道内冰晶生长的微观机理以便提出相应的防结冰措施，建立了微通道内结冰过程的相场模型，模型中引入了实际边界条件的影响(取为第三类边界条件),相场计算中采用随机方法生成晶核。基于有限差分法对相场模型进行了数值求解，对不同边界条件影响强度(以努塞尔数Nu表征)下冰晶生长过程进行了系统研究。研究结果表明：边界对微通道内的冰晶生长影响显著，Nu越大，微通道内冰晶生长第一阶段(冰晶未扩展到边界时)结晶速率越大，使得充分结晶(定义为结晶百分数达到80%)所需总时间越短；同时应在结冰初始阶段对其进行及时干预才能有效防止结冰。