基于纳米量热技术的纳米金属液滴凝固特性研究

The classical solidification theories are founded on the bulk metallic materials, however, their adaptability in nano-sized metallic droplets is unsolved. In this study, the rapid solidification techniques will be applied to prepare pure metallic nanodroplets with matrix. In addition, the unique nanocalorimetry will be employed to systematically investigate the solidification characteristics of metallic droplets smaller than 1μm and even within 100nm. Attributing to the wide range heating-cooling scanning rate (1-1,000,000K/s) and the technical advantages of high sensitivity (<1 nJ/K) and extreme high vacuum (higher than E-6Pa) of the applied nanocalorimetry, the regularity of the solidification characteristics of the embedded nanodroplets with nucleation substrate will be studied under rapid solidification. Moreover, the effect of the cooling rate on the evolution of the nucleation mechanism will be involved. Based on this research, the nanocalorimetry, which is a novel method based on nanotechnology, will be employed in the investigations on the solidification process of nanodroplets, opening a new approach to the fundamental research on metal solidification. Therefore, the size effect occurred during the liquid-solid transition of the nanodroplet will be accordingly discussed. As a result, the proposed research will offer direct experimental evidence to the adaptability of the classical metal solidification theories on the occasion of nanodroplet solidification and also provide innovative research results in metal solidification nucleation theory.

经典的金属凝固理论是建立在体材料凝固基础之上，其在纳米金属液滴凝固的适应性是一个悬而未决的科学命题。本项目拟采用快速凝固技术，制备出具有金属镶嵌衬底的纯金属纳米液滴，结合独具特色的纳米量热研究手段，系统研究1μm以下乃至100nm以内微小尺寸金属液滴的凝固特性。并利用纳米量热仪所具有的大范围加热-冷却速率（1～1,000,000K/s）、高灵敏度（< 1 nJ/K）及极高真空度（高于E-6Pa）的优势，获取快速凝固条件下具有形核衬底的纳米金属液滴的凝固特性随其尺寸的变化规律以及不同凝固条件对纳米尺度金属液滴异质形核机制的影响。该研究将纳米量热这一崭新的研究手段引入到纳米尺度金属液滴凝固过程的研究中，可为金属凝固基础科学问题的研究开辟一条新的途径，同时，该研究将为经典金属凝固理论在纳米尺度的适应性提供直接的实验证据，为金属凝固形核理论的研究提供创新性研究结果。

凝固形核是决定材料微观组织和宏观性能的重要因素。镶嵌纳米微滴技术不仅可实现了纳米微滴的形核特性研究，且解决了自由界面微滴常见的氧化和团聚问题，为微纳尺度的金属液滴形核研究开辟了新的途径。本项目利用纳米量热仪高灵敏度的独特技术优势，获取了纳米尺度液滴凝固形核的规律及其尺寸效应，揭示了其形核的内在机制，为纳米量热技术应用于金属快速凝固及形核领域的研究提供了理论依据和实验基础。项目主要结果如下：.1）成分为Zn-15Bi（wt.%）的合金在铜辊线速度为10m/s下制备的薄带具有最为均匀且密集的镶嵌纳米液滴。在对Zn-20Bi薄带的研究中，发现纳米Bi液滴的形核过冷度明显高于微米Bi液滴的过冷度，进一步证实了微滴凝固中的尺寸效应，即随着微滴尺寸降低，过冷度相应增大。.2）对比Zn基体及Cu基体中镶嵌Bi液滴的凝固行为发现，微米级镶嵌Bi液滴的形核机理会随冷却速率的提高发生形核机理转变。利用Cantor模型计算得出镶嵌在Zn基体和Cu基体中纳米Bi液滴的异质形核接触角分别为84.9°和72°，体现出Cu基体相对于Zn基体对镶嵌纳米Bi液滴的形核具有更为明显的促进作用。.3）在Al-In合金中，冷却速率越高时纳米颗粒尺寸越小，相同冷速下In含量越高则纳米颗粒尺寸越大，In的凝固是在Al基体{111}面或{001}面的促进作用下形核。在Al-InSn合金中，纳米颗粒析出的In3Sn相与基体存在明显的位向关系。不同衬底条件下的微米级Bi液滴的形核机理随着冷却速率的增加而发生变化，形核方式从表面形核向体积形核转变。.因此，将纳米量热这一崭新的研究手段引入到纳米尺度金属液滴凝固过程的研究中，为金属凝固基础科学问题的研究开辟了一条新的途径，为经典金属凝固理论在纳米尺度的适应性提供直接的实验证据，并为金属凝固形核理论的研究提供创新性研究结果。