基本信息
- 项目名称：
- 定向凝固条件下固液界面与气泡的交互作用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 凝固组织内部气孔的形成机理，是凝固领域的重要问题之一。本文在自行研制的水平Birdgman定向凝固装置中实时观察了SCN-0.9wt.%DCB透明模型合金的定向凝固过程中，气泡与界面的交互作用过程，研究了不同固液界面形貌对气泡形态的作用机制。
- 详细介绍：
- 早期的研究表明,杂乱无章分布的气孔会给材料的性能带来负面的影响。但是近年来,研究者发现尺寸均一、排列有序的多孔材料反而可能具有优异的力学、热学和声学性能。因此，对凝固组织内部气孔形状、尺寸和分布的主动控制成为材料学科领域的关键技术之一。发展这一技术的最基本问题是从科学上阐明气泡和凝固界面的相互作用机制，到目前为止，国内外对此机制的研究主要侧重于凝固界面形态的变化，或者气泡的分布研究，而对两者的交互作用以及耦合生长，特别是气泡形态的变化研究较少，缺乏实验基础和理论解释。 在金属凝固研究中，一些特殊的低熔点透明有机物（如：丁二腈、四溴化碳等）常被作为替代模型材料。这类有机材料具有与金属材料相近的熔化熵，在凝固过程中表现出与金属相类似的非小平面生长行为，不仅如此，这些材料相互之间可以组成类金属的各种合金体系。其透明性使得凝固界面的推进可以在光学显微镜下进行实时观察，而其较低的熔点又使得实验过程易于完成。所以，采用以透明类金属模型合金为观察对象的定向凝固手段已经成为研究凝固机理的重要且有效的方法。 因此，本文利用以丁二腈-对二氯苯(SCN-0.9wt.%DCB)透明类金属模型合金为对象，在定向凝固条件下，实时观测研究了不同条件下凝固界面前沿气泡的形成、长大、耦合生长形态及其形成机制。这是“气-液-固”三相凝固理论中的重要问题，同时本项目的研究可以为发展凝固组织中气孔分布控制技术、设计和制备新型的孔洞型复合材料提供理论依据。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本实验采用透明模型合金SCN-0.9%(质量分数)DCB为对象，对定向凝固过程中固液界面对气泡形态演化的影响进行了多方面分析，分别研究了气泡相对生长率随凝固速度的变化，及气泡与平面晶、胞状晶和树枝晶的耦合生长，对气泡和凝固组织的相互影响这一理论做了重要的数据和理论补充。
科学性、先进性及独特之处
- 目前，国内外关于定向凝固的研究主要集中在：气泡的存在对凝固界面的形态和稳定性的影响以及气泡在凝固过程中的形核和生长机制的研究。而气泡相对生长率随凝固速度的变化，及气泡与平面晶、胞状晶和树枝晶的耦合生长还没有成熟的理论模型。这就是本研究亟待澄清的问题。在材料科学和凝固铸造领域是一个新的研究方向。
应用价值和现实意义
- 本项目的研究可以为发展凝固组织中气孔分布控制技术、设计和制备新型的孔洞型复合材料提供理论依据。在实际工程应用领域也具有一定的指导性作用，比如在材料制备领域，通过对气泡形态和数目及分布的控制，能够制备出力学、热学等性能良好的多孔材料。
学术论文摘要
- 凝固组织内部气孔的形成机理，是凝固领域的重要问题之一。本文实时观察了SCN-0.9wt.%DCB透明模型合金的定向凝固过程中，气泡与界面的交互作用过程，研究了不同固液界面形貌对气泡形态的作用机制。在固液界面与气泡不断靠近的过程中，气泡逐渐长大，在两者距离小于一临界值后，气泡长大速度会发生突变，提速生长。平界面和胞晶与气泡相遇时会包裹气泡生长，同时气泡也不断膨胀，形成尾部与凝固界面共协生长的形态。尾部形貌可能产生不稳定现象，这跟气泡与凝固界面共协生长时竞争的不稳定性有关。具有原始晶界的凝固组织与气泡相遇时，气泡尾部将向存在晶界的一侧偏转，晶界的初始位置决定了气泡与凝固界面耦合生长的对称性。气泡与枝状界面相遇时，不易产生两者的共协生长，气泡前端新生枝晶具有遗传继承性,即保持原来枝晶最优生长方向。
获奖情况
- 1.于2011年4月荣获西北工业大学第十三届“三航杯”大学生课外学术科技作品竞赛金奖。 2.本作品是受“国家级大学生创新实验项目”（批准号：101069931）支持的课题。
鉴定结果
- 情况属实
参考文献
- [1] J. Deschamps, M. Georgelin, A. Pocheau. Phys. Rev. E, 2008; 78: 011605 [2] D. Danilov, B. Nestler. J. Cryst. Growth, 2005; 275: 177 [3] J. Teng, S. Liu, R. Trivedi. Acta. Mater., 2009; 57: 3497 [4] H. Yoshioka, Y. Tada, Y. Hayashi. Acta Mater., 2004; 52: 1515 [5] L. Drenchev, J. Sobczak, S. Malinov. Mater. Sci. Technol., 2006; 22: 1135 [6] A.E. Simone, L.J. Gibson. Acta Mater., 1996; 44: 1437 [7] Z.K. Xie, M. Tane, S.K. Hyun, et al. Mater. Sci. Eng. A, 2006; 417: 129 [8] Y. Liu, Y.X. Li. Scripta Mater., 2003; 49: 379 [9] H. Xing, J.Y .Wang, C. L. Chen, et al. Scripta Mater., 2010; 63: 1228 [10] S. Akamatsu, G. Faivre. J de. Physique I France, 1996; 6: 1228
同类课题研究水平概述
- Uhlamnn最早提出了气泡与液固界面之间存在交互作用，但是他所建立的模型没有考虑到固液界面的变形。随后，Bolling等人的模型虽然考虑到界面的变形，但是并没有考虑界面的形状随时间的变化。 Trivedi等人指出，在二元合金体系中，界面与气泡之间的相互作用是一个长程作用，其相互作用的起始距离约与扩散距离D/V（D为溶质扩散作用，V为界面抽拉速度）一个量级。这种长程作用是因为气泡干扰了固液界面前沿的溶质扩散场，改变了界面不同处的溶质梯度，所以固液界面的形状会随着时间的推移而不断改变。同时，他们的研究还发现，气泡的存在将引发微观组织尺度的变化。当气泡存在于胞状晶或枝晶间时，能够引起界面的重组。但是，他们认为在整个凝固过程中，气泡的形状和大小没有发生任何变化，即忽略了气泡的生长，而仅考虑到气泡的存在对与固液界面形态及其稳定性的影响作用。 Wei等人对凝固过程中气泡的形状及其被固相所捕获的过程进行了深入的研究。结果表明，气泡的在凝固过程中的生长可以分为以下几个阶段：(1)在固液界面形核；(2)气泡的球状生长阶段；(3)受固液界面推进速度控制的气泡拉伸生长阶段；(4)气泡的消失；(5)最终固相中气孔的形成。他们还给出了球状生长阶段的气泡的半径、高度以及与固相接触角的计算公式。 乌克兰科学家Shapovalo首先提出了气-固共晶的概念，并得到了圆柱形气孔规则定向排列于金属基体中的材料，被称为固/气复合材料或藕状材料。这引起了国际的广泛重视。但是，目前有关这方面的研究着眼点大都在于其实用性，而没有对多孔材料的形成机理进行深入的研究，得该技术研究发展缓慢。 国内清华大学的李言祥课题组对氢气含量较高的镁合金和铝合金的多孔材料制备工艺进行了卓有成效的研究，通过对凝固组织的分析，他们发现孔的结构变化主要取决于合金的凝固方式(平界面凝固、柱状胞晶凝固、柱状枝晶凝固和等轴晶凝固)。 综合分析以上国内外研究结果发现，有关气-固耦合生长的研究大部分集中在定向凝固工艺参数等对材料中气孔的长径比、孔径、气孔率等结构参数的影响上，而与该过程相关的凝固理论研究却没有跟上步伐。尤其，凝固界面对气泡形态的影响机制还缺乏系统性认识。
