超声场耦合下铝液/固相界面行为实验方法与技术

Liquid-solid interfacial behavior is common physical chemistry phenomenon and fundamental scientific issue during materials preparation and chemical synthesis. Ultrasonic field couple technique has become an effective way to regulate and control the behavior of liquid / solid interface such as wetting, mass transfer and structure etc in the crossing field of materials science and acoustics. However, at present, there is no suitable experimental method and technology that can systematically study the interfacial behavior law and accurately describe the regulate and control mechanism of interfacial structure. Therefore, according to the ultrasonic cavitation and acoustic streaming effect and on the basis of our previous research works, this project intends to develop an experimental methods and techniques for determining aluminum liquid/solid interface behavior under ultrasound couple field by using proprietary ultrasonic intensive couple and levitation driving technique on the basis of constructing the relationship among “wetting-mass transfer-structure evolution” and studying systematically interfacial behavior of aluminum melt. The developed experimental methods and techniques can become scientific methods and means for investigating wetting, mass transfer, and structure adjustment mechanisms of metal liquid/solid interface under ultrasound couple field as well as relevant theoretical models, disclosing interfacial behavior law, characterizing and optimizing acoustic field coordination conditions, and providing theoretical basis and technical support for solving the issues of interfacial regulation and control during the synthesis of high performance materials.

液/固界面行为是材料制备与化工合成过程中常见的物理化学现象和基础科学问题，在材料学与声学的交叉领域中，超声场耦合技术已成为调控液/固界面润湿、传质与结构等界面行为的有效途径。然而，目前尚无适宜的实验方法与技术能系统研究超声场耦合下的液/固界面行为规律、以准确描述界面结构调控机制。对此，依据超声的空化效应和声流作用，并基于本项目组前期的研究工作，拟采用自主研发的超声场强耦合与悬浮驱动技术，在构建“润湿－传质－结构演化”三位一体构架关系的基础上，通过对铝熔体相关界面行为的系统研究，形成超声场耦合下铝液/固界面行为实验方法与技术。该实验方法与技术，有望成为系统研究超声场耦合下金属液/固界面润湿和界面结构调控机制、及其相关理论模型的科学方法与实验手段，以揭示超声场耦合下金属液/固界面行为规律；同时，可准确表征和优化声场协同条件，为解决高性能材料制备过程的界面行为调控问题提供理论依据与技术支持。

液/固界面的润湿、反应与传质过程决定了材料制备的可能性、其最终的组织性能和生产效率。在材料学与声学的交叉领域中，超声场耦合技术已成为调控液/固界面润湿、反应、传质与结构等界面行为的有效途径。然而，关于金属液/固界面行为规律研究，尚缺乏完整系统的相关理论与动力学模型的描述，关于金属液/固界面行为调控的实验过程，还无法准确给出适宜的声场协同条件参数。例如：（1）超声场耦合下液/固界面行为与界面结构的相关性、界面结构生成机理不十分清楚，更缺乏相关模型的描述。（2）超声波在熔体中传播时界面润湿、传质与结构调控行为，缺乏深入的阐述与真实准确的声场协同条件表征及优化。. 本项目以Al熔体与石墨固相、粉末界面的润湿、传质、界面反应为研究对象，以液/固润湿现象、以及界面传质行为研究为基础，并针对AlTiC晶粒细化剂、Al基TiC颗粒增强复合材料合成过程的界面问题开展系统的研究工作。包括：超声场耦合下铝液/固界面润湿行为规律研究，超声场耦合下铝液/固界面的传质行为与结构调控规律研究，超声场耦合下声场协同条件优化与仪器关键技术参数确定等研究内容。其重要结果为：采用自主研发的超声场强耦合与悬浮驱动技术，构建了“润湿－传质－结构演化”三位一体理论框架，通过对铝熔体相关界面行为的系统研究，建立Al熔体反应的微观动力学模型与界面结构调控机制。获得具有自主知识产权的、高性能Al合金及其复合材料超声场耦合制备技术，形成了超声场耦合下铝液/固界面行为实验方法与技术。. 超声场耦合下铝液/固界面行为实验方法与技术是系统研究超声场耦合下金属液/固界面润湿和界面结构调控机制、及其相关理论模型的科学方法与实验手段，同时，本项目研制的悬浮反应装置和课题组拥有的专利技术装置(Al、Mg 合金及其复合材料连续凝固成形一体化装置)进行技术集成，可实现材料制备过程的连续化、界面结构调控与凝固成形过程的一体化，有望彻底改变传统的材料制备成形方法。