受限条件下熔体的结构演变及凝固行为

【摘要】在过去的几十年间,低维材料得到了突飞猛进的发展。特别是2004年石墨烯的成功制备,在世界范围内掀起了一场关于低维材料研究的热潮。低维材料具有不同于块体材料的特殊的物理化学性能(如尺寸效应、量子效应以及表面效应等),从而使其在电子器件、能源存储、生物科技、复合材料等领域呈现出广阔的应用前景。在传统工业生产中,人们常常通过熔体凝固的方式来进行材料制备,但是到目前为止对于低维熔体结构及相变的研究依然较少,很少有人通过低维熔体凝固来制备低维材料。由于热力学稳定性的需求,低维熔体想要保持其低维特性必须借助受限空间来完成。受限空间的形状、尺寸以及吸引力决定了内部熔体的结构及性质。研究受限条件下熔体的结构演变规律及相变行为,对于完善熔体相变理论、改进传统材料加工工艺、发展先进的低维材料的制备与加工技术都具有非常重要的科学意义。本论文利用分子动力学模拟的方法深入研究了受限空间内熔体的结构演变及凝固行为,揭示了受限熔体的结构演化规律及相变机制,提出了利用液-固相关性实现低维材料制备的新思路。全文的主要内容如下：(1)研究了碳熔体在二维受限空间内随着温度的降低而发生的结构演变行为。发现二维受限空间内碳熔体的冷却过程可分为四个阶段：(Ⅰ)高温熔体阶段；(Ⅱ)液-液相变阶段；(Ⅲ)液-固相变阶段；(Ⅳ)自优化阶段。其中液-液相变可看作是液-固相变的准备阶段。在液-液相变阶段,碳熔体从一个低密度低配位液相转变为高密度高配位液相。同时,体系中原子链结构逐渐变为原子环结构,原子环结构进一步聚集成不稳定的原子岛结构。三配位结构对于熔体中原子环结构的形成至关重要,熔体中三配位结构的遗传是原子环和原子岛结构形成的必要条件。在液-固相变阶段,熔体中的原子岛能够稳定存在并作为形核核心逐渐长大,最终各原子岛合并成双层类石墨烯多晶薄膜结构。此结果为采用熔体凝固的方法大规模生产石墨烯和相关功能化纳米器件提供了理论依据。(2)通过研究硅熔体在二维受限空间内的结构演变特征,探讨了受限空间的尺寸、温度、熔体内部压强以及墙体引力对于内部熔体结构的影响。结果发现随着缝隙尺寸的增加,硅受限熔体发生分层转变,同时熔体的势能、体积以及配位数会发生突变,熔体从低密度低配位液体转变为高配位高密度液体。伴随着受限空间内硅熔体的分层,熔体会出现明显的相分离现象,在二维受限空间内不同原子层上的熔体原子的配位数明显不同。当熔体2-3层转变发生时,旧原子层会首先劈裂为两个子层,分别主要由4配位原子和5配位原子组成。此外还发现随着压强的增大,硅熔体也会发生分层转变,伴随着体系势能和体积的突变。升高温度会加剧熔体原子的热运动,从而使熔体结构取向于无序,阻碍熔体中原子形成有序层,使分层现象减弱。当墙体引力增大时不仅会提高硅熔体的凝固点,还趋向于将硅原子吸附于墙体表面。(3)进一步研究了硅熔体在二维受限空间内的凝固行为,并探讨了冷却速度和受限空间的尺寸对于硅受限熔体凝固行为的影响。结果表明凝固过程中,硅受限熔体中具有六角网格结构的晶核不断合并熔体中的无序结构,并将其转变为六角网格结构来向外生长,最终各晶核合并成完整的类石墨烯多晶薄膜结构。提高冷却速度会导致无序非晶结构的产生。改变缝隙尺寸不仅会影响硅熔体的凝固点,还会影响其凝固组织。此外,硅受限熔体的液-固结构相关性的发现为采用凝固实现低维材料制备提供了可能。(4)异质核心与熔体的交互作用与铸造生产中的净化、细化、孕育和变质工艺密切相关,最终决定了凝固组织的微观结构及宏观性质。本文通过研究铜熔体在弯曲碳膜构成的半受限空间内的异质形核,发现异质形核过程中异质表面的存在不仅影响铜熔体凝固时的热力学性质,而且还会影响其结构演变。铜熔体及其凝固组织与异质表面之间存在结构相关性。冷却过程中,铜熔体继承弯曲衬底的形状,形成“C”型原子层。衬底对熔体的形状控制作用随着距离的增加而减弱,最外层原子可能会形成由两个FCC晶体组成的孪晶结构。熔体的最终凝固组织与衬底的曲率、圆心角和弧长密切相关。熔体的凝固组织在不同衬底上表现出单晶、孪晶、圆柱壳层、“C”型以及外切面型等几种不同的结构。出现这种现象的原因是异质表面与铜之间的相互作用和铜内部晶格能两者竞争的结果。本文系统地阐述了受限熔体的结构演化规律及凝固行为,有利于更加深入地理解低维熔体的结构和相变机制,为进一步制备低维材料提供必要的理论指导。
【作者】何业增；
【导师】李辉；
【作者基本信息】山东大学，材料加工工程，2014，博士
【关键词】分子动力学；受限熔体；凝固；液-液相变；异质形核；

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