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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 定向凝固條件下固液界面與氣泡的交互作用
- 小類：
- 數(shù)理
- 簡介：
- 凝固組織內(nèi)部氣孔的形成機(jī)理，是凝固領(lǐng)域的重要問題之一。本文在自行研制的水平Birdgman定向凝固裝置中實(shí)時(shí)觀察了SCN-0.9wt.%DCB透明模型合金的定向凝固過程中，氣泡與界面的交互作用過程，研究了不同固液界面形貌對氣泡形態(tài)的作用機(jī)制。
- 詳細(xì)介紹：
- 早期的研究表明,雜亂無章分布的氣孔會給材料的性能帶來負(fù)面的影響。但是近年來,研究者發(fā)現(xiàn)尺寸均一、排列有序的多孔材料反而可能具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)性能。因此，對凝固組織內(nèi)部氣孔形狀、尺寸和分布的主動控制成為材料學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。發(fā)展這一技術(shù)的最基本問題是從科學(xué)上闡明氣泡和凝固界面的相互作用機(jī)制，到目前為止，國內(nèi)外對此機(jī)制的研究主要側(cè)重于凝固界面形態(tài)的變化，或者氣泡的分布研究，而對兩者的交互作用以及耦合生長，特別是氣泡形態(tài)的變化研究較少，缺乏實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論解釋。 在金屬凝固研究中，一些特殊的低熔點(diǎn)透明有機(jī)物（如：丁二腈、四溴化碳等）常被作為替代模型材料。這類有機(jī)材料具有與金屬材料相近的熔化熵，在凝固過程中表現(xiàn)出與金屬相類似的非小平面生長行為，不僅如此，這些材料相互之間可以組成類金屬的各種合金體系。其透明性使得凝固界面的推進(jìn)可以在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，而其較低的熔點(diǎn)又使得實(shí)驗(yàn)過程易于完成。所以，采用以透明類金屬模型合金為觀察對象的定向凝固手段已經(jīng)成為研究凝固機(jī)理的重要且有效的方法。 因此，本文利用以丁二腈-對二氯苯(SCN-0.9wt.%DCB)透明類金屬模型合金為對象，在定向凝固條件下，實(shí)時(shí)觀測研究了不同條件下凝固界面前沿氣泡的形成、長大、耦合生長形態(tài)及其形成機(jī)制。這是“氣-液-固”三相凝固理論中的重要問題，同時(shí)本項(xiàng)目的研究可以為發(fā)展凝固組織中氣孔分布控制技術(shù)、設(shè)計(jì)和制備新型的孔洞型復(fù)合材料提供理論依據(jù)。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 本實(shí)驗(yàn)采用透明模型合金SCN-0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))DCB為對象，對定向凝固過程中固液界面對氣泡形態(tài)演化的影響進(jìn)行了多方面分析，分別研究了氣泡相對生長率隨凝固速度的變化，及氣泡與平面晶、胞狀晶和樹枝晶的耦合生長，對氣泡和凝固組織的相互影響這一理論做了重要的數(shù)據(jù)和理論補(bǔ)充。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 目前，國內(nèi)外關(guān)于定向凝固的研究主要集中在：氣泡的存在對凝固界面的形態(tài)和穩(wěn)定性的影響以及氣泡在凝固過程中的形核和生長機(jī)制的研究。而氣泡相對生長率隨凝固速度的變化，及氣泡與平面晶、胞狀晶和樹枝晶的耦合生長還沒有成熟的理論模型。這就是本研究亟待澄清的問題。在材料科學(xué)和凝固鑄造領(lǐng)域是一個新的研究方向。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 本項(xiàng)目的研究可以為發(fā)展凝固組織中氣孔分布控制技術(shù)、設(shè)計(jì)和制備新型的孔洞型復(fù)合材料提供理論依據(jù)。在實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域也具有一定的指導(dǎo)性作用，比如在材料制備領(lǐng)域，通過對氣泡形態(tài)和數(shù)目及分布的控制，能夠制備出力學(xué)、熱學(xué)等性能良好的多孔材料。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 凝固組織內(nèi)部氣孔的形成機(jī)理，是凝固領(lǐng)域的重要問題之一。本文實(shí)時(shí)觀察了SCN-0.9wt.%DCB透明模型合金的定向凝固過程中，氣泡與界面的交互作用過程，研究了不同固液界面形貌對氣泡形態(tài)的作用機(jī)制。在固液界面與氣泡不斷靠近的過程中，氣泡逐漸長大，在兩者距離小于一臨界值后，氣泡長大速度會發(fā)生突變，提速生長。平界面和胞晶與氣泡相遇時(shí)會包裹氣泡生長，同時(shí)氣泡也不斷膨脹，形成尾部與凝固界面共協(xié)生長的形態(tài)。尾部形貌可能產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，這跟氣泡與凝固界面共協(xié)生長時(shí)競爭的不穩(wěn)定性有關(guān)。具有原始晶界的凝固組織與氣泡相遇時(shí)，氣泡尾部將向存在晶界的一側(cè)偏轉(zhuǎn)，晶界的初始位置決定了氣泡與凝固界面耦合生長的對稱性。氣泡與枝狀界面相遇時(shí)，不易產(chǎn)生兩者的共協(xié)生長，氣泡前端新生枝晶具有遺傳繼承性,即保持原來枝晶最優(yōu)生長方向。
獲獎情況
- 1.于2011年4月榮獲西北工業(yè)大學(xué)第十三屆“三航杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽金獎。 2.本作品是受“國家級大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”（批準(zhǔn)號：101069931）支持的課題。
鑒定結(jié)果
- 情況屬實(shí)
參考文獻(xiàn)
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同類課題研究水平概述
- Uhlamnn最早提出了氣泡與液固界面之間存在交互作用，但是他所建立的模型沒有考慮到固液界面的變形。隨后，Bolling等人的模型雖然考慮到界面的變形，但是并沒有考慮界面的形狀隨時(shí)間的變化。 Trivedi等人指出，在二元合金體系中，界面與氣泡之間的相互作用是一個長程作用，其相互作用的起始距離約與擴(kuò)散距離D/V（D為溶質(zhì)擴(kuò)散作用，V為界面抽拉速度）一個量級。這種長程作用是因?yàn)闅馀莞蓴_了固液界面前沿的溶質(zhì)擴(kuò)散場，改變了界面不同處的溶質(zhì)梯度，所以固液界面的形狀會隨著時(shí)間的推移而不斷改變。同時(shí)，他們的研究還發(fā)現(xiàn)，氣泡的存在將引發(fā)微觀組織尺度的變化。當(dāng)氣泡存在于胞狀晶或枝晶間時(shí)，能夠引起界面的重組。但是，他們認(rèn)為在整個凝固過程中，氣泡的形狀和大小沒有發(fā)生任何變化，即忽略了氣泡的生長，而僅考慮到氣泡的存在對與固液界面形態(tài)及其穩(wěn)定性的影響作用。 Wei等人對凝固過程中氣泡的形狀及其被固相所捕獲的過程進(jìn)行了深入的研究。結(jié)果表明，氣泡的在凝固過程中的生長可以分為以下幾個階段：(1)在固液界面形核；(2)氣泡的球狀生長階段；(3)受固液界面推進(jìn)速度控制的氣泡拉伸生長階段；(4)氣泡的消失；(5)最終固相中氣孔的形成。他們還給出了球狀生長階段的氣泡的半徑、高度以及與固相接觸角的計(jì)算公式。 烏克蘭科學(xué)家Shapovalo首先提出了氣-固共晶的概念，并得到了圓柱形氣孔規(guī)則定向排列于金屬基體中的材料，被稱為固/氣復(fù)合材料或藕狀材料。這引起了國際的廣泛重視。但是，目前有關(guān)這方面的研究著眼點(diǎn)大都在于其實(shí)用性，而沒有對多孔材料的形成機(jī)理進(jìn)行深入的研究，得該技術(shù)研究發(fā)展緩慢。 國內(nèi)清華大學(xué)的李言祥課題組對氫氣含量較高的鎂合金和鋁合金的多孔材料制備工藝進(jìn)行了卓有成效的研究，通過對凝固組織的分析，他們發(fā)現(xiàn)孔的結(jié)構(gòu)變化主要取決于合金的凝固方式(平界面凝固、柱狀胞晶凝固、柱狀枝晶凝固和等軸晶凝固)。 綜合分析以上國內(nèi)外研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有關(guān)氣-固耦合生長的研究大部分集中在定向凝固工藝參數(shù)等對材料中氣孔的長徑比、孔徑、氣孔率等結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響上，而與該過程相關(guān)的凝固理論研究卻沒有跟上步伐。尤其，凝固界面對氣泡形態(tài)的影響機(jī)制還缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識。
