多元系物理化学性质计算的唯象理论

With the progress of science and technology, there are more and more needs for the physicochemical data. Though the “first principle calculation” has made a great step recently, it is still a long way to offer practical data. The “empirical method ”is still the main approach to obtain these kinds of data. In the past century, many metallurgists and metallists as well as the scientists from other fields have devoted their efforts to improve this kind of model; nevertheless, no progresses have been made. The calculation models still stayed in the same level of half century ago and cannot see any indication for future development. All of these have seriously affected to offer physicochemical data, especially for some higher order multicomponent systems. In this project, our goal aims to develop a kind of “phenomenological model” for the higher order systems starting from the current “empirical model” based on our suggested principle that has already been demonstrated as a successful approach to deal with ternary models before. It is expected that the benefit of this new development will not be limited in the metallurgy and material science only but will extend to different fields, such as, agriculture, chemicals, energy, medicine and health…and so forth

随着科学技术的发展，各行业对物理化学性质的需求越来越多，越来越高。基于物理模型的“第一原理”虽然近年来获得了长足的进展，但是它离提供实际数据的要求尚有一段很长的距离。“经验模型”仍然是获取物理化学数据的主要方法。一个多世纪以来化学工作者，材料工作者，以及其他各行各业的科学工作者，都为改进这种模型的计算做出种种努力。但是，人们突然发现，其实他们都是从不同的角度做着同样的事情。这些模型仍停留在半个世纪以前的水平。究其原因，主要是把“经验模型”往理论高度提升中遇到了困难，无法从理论上跨越通往“自洽”的门槛。它已严重地影响到当前对各种物理化学数据的计算，尤其是对高阶体系的计算。本课题拟将我们以往提升“经验模型”的方法，运用到高阶体系中，实现把“经验模 型”全面发展为“唯象理论模型”的目标。本工作的完成，其影响将不止是冶金和材料行业， 对国民经济的其他部门，如能源、化工等都会产生有益影响

多元系物化性质对冶金工艺优化和材料的制备具有重要意义，然而由于高温实验难度大，此类数据较为稀少，目前主要依靠唯象模型进行预报。其中，溶液几何模型因其简单有效的形式而被广泛应用，然而其本身存在理论发展停滞不前、无法计算局部互溶体系及高阶体系扩展困难等问题。本课题旨建立多元系物化性质计算的唯象理论方法，研究重点围绕溶液几何模型的理论发展和实验验证，主要进展概述为三部分（1）多元系溶液模型理论的发展及应用：研究了二元系和多元系之间基本关系，探讨了“相似系数”与宏观性质、微观结构之间的关系，完善了多元系物化性质的计算方法，理论证明新一代溶液几何模型自洽性及如何实现自动选点，提出不同模型优化方法并在多元系热力学性质预报中得到验证;（2）局部互溶新模型的发展及应用：提出局部互溶区域物化性质计算的新方法—双线段模型，对模型计算机理进行分析及优化，编写了模型计算程序，并在多元熔渣粘度、电导率、密度、表面张力等物化性质的预报中得到验证；（3）多元系物化性质的实验研究及模型验证：实验测试了CaO-SiO2-Al2O3-MgO和CaO-Al2O3-Li2O等熔渣体系的电导率和粘度性质，并研究了成分、温度和碱度等因素的影响规律，利用相关实验结果对多元系唯象模型理论进行了验证。本项目的开展对多元系物化性质的计算具有重要的科学意义，并可为冶金和材料制备工艺的优化提供大量可靠的熔体性质数据。项目取得了比预期较丰硕的成果，共发表相关论文100篇，其中SCI期刊论文95篇，出版学术专著2本，软件著作权授权10项。