凝固过程中临界晶核晶体结构形成路径的研究

凝固过程中的形核控制是先进材料制备的基础。以形核为起始的相变总伴随着晶体结构的形成，经典形核理论回避了形核过程中的晶体结构问题，不能反映与晶体结构有关的形核动力学过程。晶核孕育过程的晶体结构演变是形核过程中的重要问题，临界晶核晶体结构的形成路径不仅有助于从原子尺度上深入理解形核过程及机制，更是形核控制及相选择的基础。本项目采用晶体相场模型，针对面心立方、体心立方等简单晶体结构，从原子尺度出发，系统研究凝固过程中临界晶核的形成过程；阐明晶体结构形成路径及转变机制，确定晶体结构形成路径随过冷度变化的选择图；分析晶体结构转变过程中液/固界面结构特征，明晰界面能及其各向异性与晶体结构间的关联；明确临界晶核的形态、尺寸、晶体结构及界面结构之间的内在联系，建立根据晶体结构的形成路径计算临界形核功的方法。本项目的完成，可为从原子层面进一步深入理解形核机制以及建立包含晶体结构的形核动力学理论奠定基础。

凝固过程中的形核控制是先进材料制备的基础。结晶过程中的形核总伴随着晶体结构的形成，经典形核理论回避了形核过程中的晶体结构问题，不能反映与晶体结构有关的形核动力学过程。晶核孕育过程的晶体结构演变是形核过程中的重要问题，阐明晶核晶体结构的形成路径不仅有助于从原子尺度上深入理解形核过程及机制，更是形核控制及相选择的基础。本项目采用晶体相场模型，针对面心立方、体心立方等简单晶体结构，从原子尺度出发，系统地研究凝固过程中晶核的形成过程中与晶体结构有关的特征。取得以下的主要成果：1.建立了描述固液相变的统一晶体相场模型，并实现了谱方法高效求解及计算加速；2.揭示了过冷度与界面能、晶体结构、晶体生长形态之间的内在联系；3.阐明了晶体结构形成路径以及分步形核中晶体结构转变的动力学和热力学机制。本项目的完成，揭示了形核与晶体结构的联系，从原子尺度深入了对形核过程的认识，为建立包含晶体结构的形核动力学理论奠定了基础。