界面能各向异性的计算及固液界面的原子尺度表征

The solid-liquid interfacial energy is difficult to measure, but it is a critical factor in determining crystal nucleation and growth. In recent years, molecular dynamics (MD) models have been developed and used to compute the solid-liquid interfacial energy. However, the calculated interfacial energy is lack of accuracy and so far the calculation has been mainly used for pure metals. The fundamental knowledge on the anisotropy of interfacial energy is not known. In this project, a new weighting functional will be introduced into the capillary fluctuation method (CFM) to improve the accuracy of interfacial energy and its anisotropy. The improved method will then be used to predict the interfacial energy and its anisotropy for industrially-important binary and ternary alloys. At the same time, small angle synchrotron X-ray diffraction method will be used to reveal the atomic-scale structure of the liquid transition layer near the solid-liquid interface. Density function, interlaminational and intraformational structures of the transition layer near the advancing solidification interface will be characterised. The important information will be used to validate the MD calculation and to improve our understanding on the interface energy and its anisotropy.

固液界面能在晶体的生长过程中发挥着决定性的作用。由于固液界面能的实验测定极其困难，分子动力学计算已经成为获取金属固液界面能数据的主要手段。然而现有计算方法的准确度不够高，计算也还局限于纯金属，产生界面能各向异性的原因和影响界面能各向异性的机理尚不清楚。本项目探索用加权函数法来提高毛细波动法计算固液界面能及其各向异性参数的准确性，并将这种方法首次应用到的有一定工业应用背景的二元、三元体系，为计算实际合金体系的界面能提供技术储备。同时采用同步辐射X射线小角度衍射技术，通过对固液界面液相过渡层的结构进行原子尺度表征，获取过渡层内液相区的密度函数， 以及原子在层间和层内的原子排布。 这些重要的信息不仅可以用来验证分子动力学计算的准确度，还可以帮助揭示过渡层结构影响界面能及其各向异性的机理。

固/液界面能及其各向异性在异质形核和枝晶生长过程中发挥着关键作用。精确求解固/液能并探寻其各向异性的内在原因需要对固/液界面结构有深入原子尺度的认识。本项目利用经典分子动力学、第一性原理分子动力学等原子模拟方法和同步辐射表面X射线衍射实验从原子尺度揭示了金属凝固固/液界面的结构、热力学和动力学特征。本项目取得的四项重要成果如下：(1)在界面能计算方面，通过改进毛细波动法提升了固/液界面能的求解精度；(2)在重要数据方面，精确求解了铝、镍、金等纯金属固/液界面能及其各向异性参数，分析了Mg、Si、Ni、Cu、Zn等合金元素对铝合金界面能及其各向异性的影响；(3)在实验方法和实验验证方面，探索了具有埃米级分辨率的同步辐射表面X衍射CTR方法在固/液界面结构表征中的应用，成功通过三维倒易空间衍射强度拟合算法重构出α-Al2O3(0001)/Al固/液界面的原子排布；(4)在固/液界面理论方面，建立了凝固固/液界面结构与界面能之间的关联性。本项目取得的成果为凝固形核及微观组织调控提供重要理论和数据支持，也为从原子尺度深入探索凝固理论提供了新的思路。