碳纳米管中金属熔体的结构演化及其凝固特性

Using physical properties measurement instruments for high-temperature melt, field emission electron microscopes, high resolution electron microscopes in combination with computational simulations, the structures and properties of molten Sn and Ga confined in carbon nanotubes are studied, and the similarities and differences between molten metal in carbon nanotube and bulk metal on solidification behaviors and structures are investigated. In addition, the influence of "size effect" and "confinement effect" of carbon nanotube on the solidification characteristics of molten metal is revealed. Through studying the structural evolution principles of molten metal during solidification in carbon nanotube, we attempt to find new methods of encapsulation into nanotubes with metal atoms and relationships between surface wetting and encapsulation effects of nanotubes. Furthermore, we fabricate metal-filled carbon nanotube composite structures and provide experimental parameters and theoretical guidelines for nano-casting. In this study, the self-consistent verification between theoretical simulations and experimental research significantly improves the reliability of research results. The research results can not only provide an atomic level insight into the physical essence of solidification of molten metal in carbon nanotube but also be of great significance for developing and fabricating new materials through nano-casting techniques.

用高温熔体物性测量仪、场发射电镜及高分辨电镜结合计算机模拟，研究Sn、Ga两类金属熔体在碳纳米管中的结构及性质，探究碳纳米管内金属熔体凝固行为、凝固组织与宏观块体金属的异同点；揭示碳纳米管空腔的"尺寸效应"和"限域效应"对金属熔体凝固特征的影响。研究凝固过程中金属熔体在纳米空间中的结构演化规律。尝试寻找金属原子向碳纳米管内填充的新方法和新工艺，获取碳纳米管的表面润湿性与充填效果的对应关系，并制备金属填充的碳纳米管复合结构，为纳米铸造技术提供实验参数和理论指导。本项研究中，理论模拟与实验研究相互验证，可增强研究结果的可靠性。研究结果将有助于揭示碳纳米管中金属熔体凝固过程的微观物理图像，对于利用纳米铸造技术开发和制备新结构材料具有重要价值。

研究受限熔体的结构特性及凝固行为，掌握受限空间对熔体结构及相变的界面效应，不仅能完善熔体的相变理论，对于发展材料制备与加工的先进技术也有非常重要的理论指导意义。.利用分子动力学模拟方法对受限空间内熔体的液液相变进行了深入研究，探讨了受限空间、压力以及墙体作用力对熔体结构的影响以及对液液相变的诱导作用；同时探究了二维金属熔体在快速凝固过程中的结构演变规律，揭示了二十面体序与晶体中程序之间的演变关系。.系统地研究了受限空间中Si 纳米线从3000 K 降温至300 K 这一过程中的结构演变，分别探讨了碳纳米管尺寸、冷速及模板形状对所得Si 纳米线结构的影响。发现Si 纳米线是由外层的晶体结构与内层的非晶结构分层组成。这种有序和无序结构的混合表现在双体分布函数曲线上为第二峰劈裂。.着重研究了凝固过程中局域原子的结构演变规律和动力学特性。研究表明，我们发现径向分布函数第二峰的劈裂是“环状短程有序结构”和“FCC短程有序结构”在凝固过程中相互竞争的结果。这种生长竞争是造成准二维体系中晶体和非晶结构共存的主要原因。发现径向分布函数第二峰的劈裂与原子排列中的短程序以及中程有序结构的比例分数有直接的关系。.研究了碳纳米管中金属的熔化特性及熔体结构特征。发现了碳纳米管受限空间中Al纳米线具有三种熔化行为，这三种熔化行为由Al纳米线的直径和碳纳米管的长度共同决定。.利用分子动力学方法深入研究了铜液滴和水在碳纳米管和石墨烯表面的润湿和形态演变行为，揭示纳米尺度下液滴的润湿与反润湿机理以及金属液滴的形态演变规律，提出利用受限空间实现液滴自发融合的新方法。材料表面液滴的形态演变、润湿性及反润湿行为取决于液滴的温度以及衬底表面微结构和受限空间的尺寸。.本项目的研究成果揭示了受限熔体的相变特征及团簇结构演变规律，为受限熔体的液液相变提供了理论依据，对于新型金属材料的结构设计及制备有非常重要的指导意义。