预测材料结晶能力的理论模型.pdfVIP

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 109P a 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 己有 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 晶体 的能力 ，研 究 表 明单元 体材料 (Ni 、Al 、c u 、A r 和 M g ) 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 (O一6wt .% ) 川 原 子掺 杂对 于 Ni 单 晶材 料 结 晶能力及 (6，17，30 wt .% ) A u 元素 的掺杂对 C u 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 N i单 晶 的结 晶能力 ，而 30% A u 元 素 掺 杂 对 C u 单 晶 的结 晶过 程 几 乎 没有 影 响 。实验 中人 们 发 现 添 加 少 于 6 wt .% 的 Al 元 素 (一 般 5.6 w t% 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 Ni 3AI 和 C 3N 4 的结 晶能力 的预 测 ，得 到 N i3AI 单 晶形 成 能力 较 强而 p一C 3N ;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 。 关键 词 : 单 晶材 料 ，结 晶学 ，分 子动 力 学 ，凝 结势模 型 中 图分类 号 : 0 78 A b str a C t M ater ia ls o f sin g le ery sta l stru etu re s th at e x h ib it a lo t o f su P erio r P ro P er tie s h av e b een w id e ly u se d in m an y f ie ld s. B eca u se o f th e se ex e e llen t P ro P er tie s，e o n tin u o u s e fof r ts h a v e b e e n m a d e to P re P a re sin g le c ry sta ls w ith Ia r ger v o lu m e a n d b e tte r stru etu re . In fact，th e a b ility to form d iffe ren t stru etu re s o f sin g le