基于纳米量热技术的界面诱发金属微滴形核机制研究
批准号:
52071193
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
高玉来
依托单位:
学科分类:
金属材料制备与加工
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
高玉来
中文摘要
凝固是材料尤其是金属材料制备的重要手段,凝固过程包括形核与其后的晶体生长过程。对凝固过程的形核进行调控,对于金属材料的组织细化和性能提升具有至关重要的作用。现有研究发现,经典的异质形核界面适配度理论并不能完全解释异质形核的形成过程。因此,金属凝固过程异质形核的界面诱发效应及其内在的作用机制仍旧是值得深入研究的科学命题。本项目拟采用真空蒸镀、磁控溅射和晶面切割等手段结合,设计具有不同成分、组织及晶体结构与取向的形核界面,并利用纳米量热仪所具有的大范围加热-冷却速率(1~1000000℃/s)、高灵敏度(<1nJ/℃)及极高真空度(高于E-6Pa)的独特优势,通过精确控制单个微米尺度金属微滴的过冷状态,系统研究成分、组织、晶体结构及晶面取向等界面特征条件下界面诱发异质形核的行为及其内在机制。该研究有望为金属凝固形核理论的研究开辟一条新的途径,并为金属凝固理论的丰富和发展提供创新性成果。
英文摘要
Solidification is one of the crucial techniques to fabricate materials, especially for the metallic materials. The solidification process includes the nucleation and crystal growth. In addition, it is really significant for the microstructure refinement and property improvement by controlling the nucleation process. Unfortunately, the popular classical lattice fit theory of the heterogeneous nucleation does not always work. Therefore, it still remains a scientific issue to investigate the interface-induced effect and its inherent mechanism for the heterogeneous nucleation during the solidification process. In this project, the interfaces with various composition, microstructure and crystal lattice/orientation will be designed by combining the vacuum evaporation, magnetron sputtering and crystal face cutting etc., by which to induce the heterogeneous nucleation. Meanwhile, the undercooling can be precisely controlled by the nanocalorimeter, which possesses the advantages such as large heating-cooling rate (1~1000000℃/s), high sensitivity (<1nJ/℃) and extreme vacuum (about E-6Pa) etc. As a result, the regularity and inherent mechanism of the interface-induced heterogeneous nucleation can be systematically discussed. This project is anticipated to open a novel approach to investigate the solidification nucleation, and offer innovative results for the enrichment and development of the metal solidification theory.
金属形核过程通过影响后续凝固组织从而在很大程度上决定了金属材料的性能,所以有必要对界面诱发凝固形核过程展开研究。本项目通过制备具有一定表面结构形貌特征的薄膜衬底,借助纳米量热仪获取了金属微滴在不同界面诱发形核过程的热力学参数,结合经典凝固形核理论对界面诱发金属凝固形核的内在机制进行了探究。项目的主要研究结果如下:.1)通过磁控溅射技术制备了非晶Si薄膜,采用不同热处理规范将非晶Si薄膜进行晶化,获得不同的晶态结构。利用纳米量热仪对纯Sn微滴在非晶Si和晶态Si薄膜衬底上的凝固行为进行了研究,发现在以两种薄膜为衬底及5μm至50μm的尺寸范围内的纯Sn微滴条件下,微滴尺寸对单个Sn微滴的凝固过冷度未产生明显影响。.2)在不同过热温度研究了Sn微滴在非晶Si和晶态Si薄膜衬底上的形核过程,结果表明以非晶Si或晶态Si薄膜为衬底时,较高的过热温度会提高纯Sn微滴的凝固过冷度。.3)利用Poisson统计方法对纯Sn微滴在非晶Si和晶态Si薄膜衬底条件下的形核动力学进行了研究,结果表明非晶Si薄膜衬底以及晶态Si薄膜衬底条件下,纯Sn微滴接触角在微滴尺寸为10μm时具有较明显的差异(约9°),其它微滴尺寸条件下测得的接触角相近,表明以上两种衬底对纯Sn微滴凝固形核的影响无明显差别。.4)借助磁控溅射技术在不同溅射参数下制备了不同Al薄膜,并利用纳米量热仪在30K的过热温度下研究了Sn微滴在6种具有不同表面粗糙度的Al薄膜衬底上的过冷度,结果表明Al衬底粗糙度越大约有利于Sn微滴发生形核。.因此,基于纳米量热技术对界面诱发金属凝固形核展开研究,发现了单个微滴尺寸、形核衬底表面特征结构及过热温度等对微滴凝固行为的影响规律和作用机制。本研究课为金属凝固研究领域提供新的思路,并进一步揭示界面诱发异质形核行为的规律及其内在机制,丰富了金属凝固理论,并为金属凝固形核研究提供了创新性成果。
中锰先进高强钢点焊接头的组织调控与性能改进机制研究
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批准号:U1760102
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项目类别:联合基金项目
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资助金额:50.0万元
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批准年份:2017
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负责人:高玉来
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依托单位:
基于纳米量热技术的纳米金属液滴凝固特性研究
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批准号:51671123
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2016
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负责人:高玉来
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依托单位:
基于快速热分析技术的金属熔体凝固亚临界形核特性研究
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批准号:51171105
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项目类别:面上项目
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资助金额:65.0万元
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批准年份:2011
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负责人:高玉来
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依托单位:
基于纳米量热技术的单个金属微滴的原位快速凝固研究
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批准号:50971086
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项目类别:面上项目
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资助金额:38.0万元
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批准年份:2009
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负责人:高玉来
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依托单位:
脉冲电流作用下连铸轴承钢碳化物的析出规律及机制研究
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批准号:50674064
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项目类别:联合基金项目
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资助金额:28.0万元
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批准年份:2006
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负责人:高玉来
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依托单位:
微滴凝固的热力学和动力学研究
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批准号:50571057
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项目类别:面上项目
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资助金额:23.0万元
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批准年份:2005
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负责人:高玉来
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依托单位:
微小液滴凝固组织及其形成规律研究
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批准号:50401023
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:10.0万元
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批准年份:2004
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负责人:高玉来
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依托单位:
国内基金
海外基金