金(jin)屬(shu)(shu)液(ye)滴(di)(di)廣泛存(cun)在于各種先進(jin)金(jin)屬(shu)(shu)加工(gong)(gong)制造過(guo)程中(zhong)(zhong)，如(ru)難混溶合金(jin)制備、精(jing)密焊(han)接與噴射成形(xing)、選(xuan)區激光熔(rong)化或燒蝕(shi)加工(gong)(gong)、等離子金(jin)屬(shu)(shu)霧化制粉等。掌握(wo)液(ye)滴(di)(di)表(biao)面張(zhang)力(li)基礎(chu)數據及其隨(sui)曲(qu)率、溫(wen)度以及合金(jin)濃度變(bian)化的(de)(de)物(wu)理規律(lv)是優化和調控這些(xie)重(zhong)要過(guo)程的(de)(de)關鍵所在，有(you)助(zhu)于我國(guo)先進(jin)金(jin)屬(shu)(shu)加工(gong)(gong)制造領域的(de)(de)發(fa)展進(jin)步。由于實驗(yan)直接測量(liang)液(ye)滴(di)(di)表(biao)面張(zhang)力(li)較(jiao)為(wei)困難，近年來大(da)量(liang)研究工(gong)(gong)作(zuo)致力(li)于發(fa)展“計(ji)算機實驗(yan)”測量(liang)技術以及精(jing)準(zhun)預測液(ye)滴(di)(di)表(biao)面張(zhang)力(li)的(de)(de)熱力(li)學理論。然(ran)而，已(yi)有(you)的(de)(de)計(ji)算研究多關注模(mo)型物(wu)質(zhi)體系(xi)的(de)(de)液(ye)滴(di)(di)/氣泡(pao)體系(xi)，很少涉及具有(you)實際應(ying)用價值(zhi)的(de)(de)合金(jin)液(ye)滴(di)(di)體系(xi);目前(qian)最先進(jin)的(de)(de)液(ye)滴(di)(di)形(xing)態熱力(li)學理論僅在剛性液(ye)滴(di)(di)模(mo)型體系(xi)中(zhong)(zhong)得到(dao)驗(yan)證，未能在實際液(ye)滴(di)(di)體系(xi)中(zhong)(zhong)獲得檢驗(yan)。

本(ben)論(lun)(lun)文(wen)采用分子動力(li)(li)學方法的平衡態(tai)(tai)液滴(di)(di)模擬技術，以具有(you)實(shi)(shi)際應用價值的難混溶鋁(lv)-鉛合金(軸承合金)液滴(di)(di)體系(xi)(xi)為(wei)研究(jiu)對象，系(xi)(xi)統地計(ji)算該液滴(di)(di)體系(xi)(xi)一系(xi)(xi)列重(zhong)要熱力(li)(li)學量及其隨(sui)液滴(di)(di)尺寸、溫度(du)(du)的高精(jing)度(du)(du)變化規律。實(shi)(shi)現(xian)了形態(tai)(tai)熱力(li)(li)學理(li)論(lun)(lun)在實(shi)(shi)際金屬液滴(di)(di)體系(xi)(xi)的有(you)效性驗證，以及難混溶鋁(lv)鉛合金液滴(di)(di)表面張力(li)(li)的精(jing)準預測。并獲得了形態(tai)(tai)熱力(li)(li)學理(li)論(lun)(lun)中剛度(du)(du)系(xi)(xi)數臨界行為(wei)的定量認(ren)識。

具體的工作(zuo)包括:

1.針對液(ye)(ye)-液(ye)(ye)界面液(ye)(ye)滴(di)體(ti)系(xi)，發展了一(yi)套(tao)模擬-表征(zheng)分析-計(ji)算(suan)一(yi)體(ti)化(hua)研究方法(fa)。其中應用了球(qiu)坐標系(xi)及(ji)柱坐標系(xi)下的(de)(de)Irving-Kirkwood局域壓(ya)強張量(liang)算(suan)法(fa)。利用這套(tao)方法(fa)，我們系(xi)統計(ji)算(suan)了不同溫度(du)和(he)(he)半(ban)徑的(de)(de)鋁、鉛液(ye)(ye)滴(di)(柱)的(de)(de)密度(du)、濃度(du)、壓(ya)強、應力的(de)(de)徑向分布函數。獲得了液(ye)(ye)滴(di)(柱)內合金互(hu)溶(rong)度(du)、內壓(ya)等熱(re)力學量(liang)隨溫度(du)和(he)(he)半(ban)徑的(de)(de)變化(hua)關系(xi)。液(ye)(ye)滴(di)內的(de)(de)鋁鉛互(hu)溶(rong)度(du)低于(yu)塊體(ti)相(xiang)圖所預言的(de)(de)互(hu)溶(rong)度(du)，偏差程(cheng)度(du)隨著溫度(du)的(de)(de)升(sheng)高(gao)以(yi)及(ji)液(ye)(ye)滴(di)(柱)半(ban)徑的(de)(de)減小而增大。

2.高(gao)(gao)精(jing)度(du)(du)(du)(du)地(di)計(ji)(ji)算(suan)了不同溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)和半徑液(ye)滴(di)與液(ye)柱(zhu)(zhu)體系(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)鋁(lv)鉛液(ye)-液(ye)界(jie)(jie)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)曲(qu)率依賴關(guan)系(xi)。我們發(fa)現鋁(lv)液(ye)滴(di)(柱(zhu)(zhu))的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)隨(sui)(sui)半徑增大(da)而(er)(er)增大(da)，而(er)(er)鉛液(ye)滴(di)(柱(zhu)(zhu))的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)隨(sui)(sui)著(zhu)(zhu)(zhu)半徑增大(da)而(er)(er)減小(xiao)。這種(zhong)變化(hua)趨勢起源于鋁(lv)、鉛原子的(de)(de)(de)(de)(de)尺寸不匹配以及其(qi)在界(jie)(jie)面(mian)(mian)彎(wan)曲(qu)情況下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)堆積(ji)方式。同一(yi)套參數(shu)下(xia)(xia)，形態(tai)(tai)熱力(li)(li)學(xue)理(li)論(lun)能夠同時完美描述液(ye)滴(di)和液(ye)柱(zhu)(zhu)的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)計(ji)(ji)算(suan)結果，高(gao)(gao)可信度(du)(du)(du)(du)地(di)驗證了其(qi)在具有(you)(you)毛細波漲落的(de)(de)(de)(de)(de)金屬(shu)液(ye)滴(di)體系(xi)中的(de)(de)(de)(de)(de)有(you)(you)效性和普(pu)適(shi)性。通過使(shi)用(yong)形態(tai)(tai)熱力(li)(li)學(xue)理(li)論(lun)擬合計(ji)(ji)算(suan)結果，我們進一(yi)步提(ti)取出(chu)先前(qian)鮮(xian)有(you)(you)報道(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)彎(wan)曲(qu)剛(gang)(gang)(gang)度(du)(du)(du)(du)和高(gao)(gao)斯曲(qu)率剛(gang)(gang)(gang)度(du)(du)(du)(du)數(shu)值(zhi)，及其(qi)隨(sui)(sui)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)關(guan)系(xi)。液(ye)-液(ye)界(jie)(jie)面(mian)(mian)彎(wan)曲(qu)剛(gang)(gang)(gang)度(du)(du)(du)(du)隨(sui)(sui)著(zhu)(zhu)(zhu)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)(gao)而(er)(er)減小(xiao)，并(bing)發(fa)現在溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)達到1300K左右，界(jie)(jie)面(mian)(mian)彎(wan)曲(qu)剛(gang)(gang)(gang)度(du)(du)(du)(du)由(you)正(zheng)值(zhi)變為負值(zhi)，對應著(zhu)(zhu)(zhu)液(ye)滴(di)系(xi)統穩(wen)定性發(fa)生轉變，由(you)低溫(wen)(wen)(wen)的(de)(de)(de)(de)(de)穩(wen)定狀態(tai)(tai)變為高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)的(de)(de)(de)(de)(de)非穩(wen)狀態(tai)(tai)。液(ye)-液(ye)界(jie)(jie)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)斯曲(qu)率剛(gang)(gang)(gang)度(du)(du)(du)(du)在所有(you)(you)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)下(xia)(xia)均為負值(zhi)，并(bing)且(qie)隨(sui)(sui)著(zhu)(zhu)(zhu)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)高(gao)(gao)而(er)(er)增大(da)。彎(wan)曲(qu)剛(gang)(gang)(gang)度(du)(du)(du)(du)和高(gao)(gao)斯曲(qu)率剛(gang)(gang)(gang)度(du)(du)(du)(du)數(shu)值(zhi)與符號(hao)可用(yong)經(jing)典彈(dan)性膜理(li)論(lun)來類(lei)比解(jie)釋，但溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)變化(hua)規(gui)律尚缺少統計(ji)(ji)物理(li)理(li)論(lun)模型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)定量解(jie)釋。

3.形態(tai)熱(re)力學理論研(yan)究(jiu)所獲取的(de)(de)鋁-鉛液(ye)液(ye)界(jie)面(mian)彎曲(qu)(qu)剛(gang)度(du)(du)(du)和高(gao)斯(si)曲(qu)(qu)率剛(gang)度(du)(du)(du)數(shu)據，讓我們有能力揭示液(ye)體(ti)表面(mian)張力高(gao)階系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)臨(lin)界(jie)行(xing)為(wei)。通過對表面(mian)張力、Tolman長度(du)(du)(du)、彎曲(qu)(qu)剛(gang)度(du)(du)(du)和高(gao)斯(si)曲(qu)(qu)率剛(gang)度(du)(du)(du)等(deng)四個(ge)核心表面(mian)張力系(xi)(xi)數(shu)參量的(de)(de)溫度(du)(du)(du)依賴(lai)關系(xi)(xi)分(fen)別用(yong)不同的(de)(de)冪函數(shu)擬合，計(ji)算(suan)出四個(ge)參量臨(lin)界(jie)行(xing)為(wei)的(de)(de)定(ding)量描(miao)述。計(ji)算(suan)出彎曲(qu)(qu)剛(gang)度(du)(du)(du)和高(gao)斯(si)曲(qu)(qu)率剛(gang)度(du)(du)(du)的(de)(de)臨(lin)界(jie)指數(shu)分(fen)別為(wei)5.98和2.49。此計(ji)算(suan)結果預言遠離臨(lin)界(jie)溫度(du)(du)(du)，彎曲(qu)(qu)剛(gang)度(du)(du)(du)的(de)(de)變化速率比高(gao)斯(si)曲(qu)(qu)率剛(gang)度(du)(du)(du)快;在臨(lin)界(jie)點(dian)鄰域(yu)，隨著(zhu)表面(mian)張力數(shu)值趨零(ling)(ling)，彎曲(qu)(qu)剛(gang)度(du)(du)(du)和高(gao)斯(si)曲(qu)(qu)率剛(gang)度(du)(du)(du)也漸趨為(wei)零(ling)(ling)，區別于Tolman長度(du)(du)(du)臨(lin)界(jie)點(dian)鄰域(yu)的(de)(de)發(fa)散行(xing)為(wei)。

4.開發(fa)(fa)了(le)捕捉液(ye)(ye)滴(di)瞬態(tai)形(xing)貌的(de)計(ji)算方法(fa)。根(gen)據瞬態(tai)界面(mian)(mian)形(xing)貌數據，開展了(le)本征界面(mian)(mian)的(de)統計(ji)分析(xi)，計(ji)算出液(ye)(ye)滴(di)表面(mian)(mian)局(ju)域曲率及(ji)其概率分布函(han)數，構(gou)建局(ju)域界面(mian)(mian)形(xing)態(tai)系(xi)綜，從更本質的(de)物理(li)視(shi)角闡釋表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)隨曲率變化關系(xi)的(de)機理(li)。本論(lun)文取得(de)的(de)形(xing)態(tai)熱(re)力(li)(li)學(xue)理(li)論(lun)在實際液(ye)(ye)滴(di)體(ti)系(xi)的(de)驗證，讓精(jing)準(zhun)預測任(ren)意溫度(du)、任(ren)意形(xing)狀液(ye)(ye)體(ti)表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)成為(wei)可(ke)能，再結合(he)針對鋁(lv)鉛合(he)金(jin)體(ti)系(xi)的(de)取得(de)的(de)界面(mian)(mian)熱(re)力(li)(li)學(xue)性(xing)質數據，能夠收(shou)獲(huo)利用液(ye)(ye)體(ti)壓強調(diao)節界面(mian)(mian)粒子堆積模(mo)式以(yi)及(ji)液(ye)(ye)滴(di)合(he)金(jin)成分的(de)調(diao)控思路，并為(wei)高(gao)品(pin)質彌散相(xiang)難混溶合(he)金(jin)的(de)制備工藝的(de)提(ti)升提(ti)供理(li)論(lun)指(zhi)導，以(yi)及(ji)促進(jin)納(na)米合(he)金(jin)相(xiang)圖熱(re)力(li)(li)學(xue)理(li)論(lun)的(de)發(fa)(fa)展。

本論(lun)文發展的(de)液滴(di)系(xi)(xi)統的(de)模擬-計算(suan)-分析方法技(ji)術(shu)，能(neng)夠廣泛應用于各種先進(jin)加工制造過程所(suo)涉及的(de)金屬液滴(di)體(ti)系(xi)(xi)，也可拓(tuo)展到(dao)諸(zhu)如(ru)固液相變(bian)形核、液相夾雜物(wu)、軟物(wu)質液滴(di)等體(ti)系(xi)(xi)的(de)研究中。本論(lun)文關(guan)于兩(liang)個液體(ti)表(biao)面剛度系(xi)(xi)數臨界(jie)行(xing)為的(de)計算(suan)研究豐(feng)富了(le)相變(bian)與臨界(jie)現象理(li)論(lun)體(ti)系(xi)(xi)范疇，提出了(le)相關(guan)統計物(wu)理(li)理(li)論(lun)的(de)發展需求。