界面微细结构对异质形核机制影响规律的研究

形核对凝固组织的形成起着决定性的作用。依附于已有界面发生的非均质形核是目前材料凝固制备过程中最为主要的形核方式。申请人在前期的研究中已经发现，特定的界面微细结构对非均质形核特性有显著影响，而现有的非均质形核理论无法对此作出解释，导致难以对实际的界面形核行为进行准确把握。为此，本项目将重点研究界面微细结构对异质形核机制的影响规律，揭示界面微细结构对界面形核动力学的影响机制，建立包含界面微结构效应的非均质形核理论。具体开展的研究工作包括：考虑界面微细结构所带来的界面自由能变化，建立粗糙界面异质形核机制的理论模型；通过对透明模型合金体系在界面发生异质形核现象的观察，归纳影响规律并对理论模型进行完善；采用分子动力学方法模拟界面微细结构对异质形核动力学过程的影响。通过本项目的研究，可获得界面非均质形核的更深入认识，寻求界面形核控制的有效手段，为生产实践中材料凝固组织控制提供理论依据。

形核对凝固组织的形成起着决定性的作用，依附于已有界面发生的非均质形核是自然界及材料凝固制备过程中最为主要的形核方式。前期研究表明特定的界面微细结构对非均质形核特性有显著影响，而现有的非均质形核理论无法对此做出解释，导致难以对实际的界面形核行为进行准确把握。为此，本项目重点研究界面微细结构对异质形核机制的影响规律，揭示界面微细结构对界面形核动力学的影响机制，建立包含界面微结构效应的非均质形核理论。项目执行期间具体开展了以下研究工作：.1、基于经典形核理论及Wenzel润湿模型建立了粗糙界面异质形核理论模型，根据此模型分析了界面粗糙度及本征润湿特性对异质形核的影响规律，发现异质形核势垒不仅与形核相与基底之间的润湿角相关，同时还受到基底表面的细微结构的影响，当形核相与基底相互润湿时，基底表面粗糙度升高会降低异质形核势垒，并促进形核，当形核相与基底不相润湿时，基底表面粗糙度升高会增大异质形核势垒，并抑制形核。.2、基于分形理论，对具有分形特征界面上的异质形核特性进行了分析，结果表明，晶胚与基底不相润湿性时，分形表面异质形核势垒高于平滑表面，晶胚与基底具有良好润湿性时，分形表面异质形核势垒低于平滑表面；过冷度和分形维数一定时，晶胚与基底不相润湿时，随本征润湿角提升，形核势垒增大，临界晶核半径有小幅调整；晶胚与基底具有良好润湿性时，临界晶核半径及形核势垒均随本征润湿角的减小而显著减小。.3、在自制的实验研究系统上，以NH4Cl-70wt%H2O溶液为模型合金，研究粗糙基底表面的凝固过程及固相晶胚的异质形核特性，以液态水-水蒸气为模型体系，研究了粗糙基底表面的液滴凝聚过程及液胚异质形核特性，实验结果与所建立的粗糙界面异质形核理论模型的分析结果具有良好的一致性。.4、以有序结构基底上的异质形核为研究目标，应用分子动力学方法考察了典型晶格表面的液相润湿特性，获得了不同晶格结构条件下的液相铺展特性及其各向异性的描述，为异质形核的界面动力学分析提供了基础。