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预测材料结晶能力的理论模型

作　者: 彭坤
导　师: 宁西京
学　校: 复旦大学
专　业: 原子与分子物理
关键词: 单晶材料结晶学分子动力学凝结势模型
分类号: O781
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

单晶材料与其相同化学组分的多晶材料相比,具有明显优越的力、热、光、电、磁等特性,制备体积更大、结构更完美的单晶材料是长期以来人们努力的目标。事实上,不同材料形成单晶体的能力有很大差异。例如,石英在一般条件下便可以形成线径为数十厘米的单晶体,而在各种极端条件(包括采用2000℃高温和109pa高压)下所能制备出的金刚石晶体也只有毫米量级线径。因此在新材料的设计中不仅需要考察特定原子分子构型所对应的物理化学特性,还需要预测其形成这种特定原子分子构型(单晶体)的能力。然而,当前已有的理论都难以对材料的这种结晶能力做出准确预测。前不久,我们建立了一个凝结势模型用以预测材料形成单显体的能力,研究表明单元体材料(Ni、Al、Cu、Ar和Mg)的结晶能力随凝结势的增大而单调增强。考虑到大量材料是由多元以上的化学组分构成,本文将凝结势模型推广于二元体系,由此涉及如何定义二元组分材料凝结势等一系列基础问题。我们首先在普遍分析的基础上建立了二元体系的凝结势模型,然后结合大量分子动力学模拟具体研究了(0-6wt.%)Al原子掺杂对于Ni单晶材料结晶能力及(6,17,30wt.%)Au元素的掺杂对Cu单晶结晶能力的影响。分子动力学模拟表明,6%Al元素的掺杂会大大地减弱Ni单晶的结晶能力,而30% Au元素掺杂对Cu单晶的结晶过程几乎没有影响。实验中人们发现添加少于6wt.%的Al元素(一般5.6 wt.%左右)会大大提高镍基单晶高温合金的蠕变寿命,反之则影响合金的综合性能,与我们的分子动力学结果相符。在此基础上我们确定了二元体系凝结势的定义式,并将其应用于二元材料Ni3Al和C3N4的结晶能力的预测,得到Ni3Al单晶形成能力较强而β-C3N4单晶难以合成的结论,均与实验事实吻合,表明凝结势模型可广泛应用于预测体材料的结晶能力。

全文目录

目录  3-5
摘要  5-6
Abstract  6-7
第一章引言  7-12
  1.1 问题的提出  7-11
  1.2 本文的研究工作  11-12
第二章凝结势模型  12-18
  2.1 基本思想  12-15
    2.1.1 凝结势的提出  12-13
    2.1.2 凝结势的定义  13-15
  2.2 凝结势模型的验证  15-18
    2.2.1 残缺度的定义  15
    2.2.2 凝结势与残缺度的关系  15-17
    2.2.3 小结  17-18
第三章凝结势模型的拓展  18-33
  3.1 二元单晶凝结势的定义  18-19
  3.2 二元单晶残缺度的定义  19-20
  3.3 二元凝结势模型的验证  20-28
    3.3.1 结晶过程的分子动力学模拟  20-26
    3.3.2 二元单晶凝结势与残缺度的关系  26-28
  3.4 补充与讨论  28-32
    3.4.1 熔点温度T_m的计算  28-30
    3.4.2 生长温度的影响  30-31
    3.4.3 系综的影响  31-32
  3.5 二元单晶材料凝结势模型的确立  32-33
第四章凝结势模型的实例应用  33-48
  4.1 金属间化合物Ni_3Al结晶能力的研究  33-42
    4.1.1 Ni_3Al的结构与性质  33-34
    4.1.2 Ni_3Al的结晶能力  34-42
  4.2 超硬材料C_3N_4结晶能力的研究  42-47
    4.2.1 C_3N_4的结构与性质  42-43
    4.2.2 C_3N_4的结晶能力  43-47
  4.3 小结  47-48
参考文献  48-54
发表论文  54-55
致谢  55-56

预测材料结晶能力的理论模型

内容摘要

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