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王绍宇和王硕林同学在《Chemical Engineering Science》发表论文

发布日期:2019-09-12

      高温润湿现象广泛存在于金属冶炼,金属薄膜加工,玻璃-金属和陶瓷-金属密封以及液态金属打印等应用中。通常,高温润湿现象根据是否有溶解反应发生可以分为两类,包括反应润湿体系和非反应润湿体系。以往的研究已经证实,对于反应润湿体系,溶解是额外驱动力,溶解速率会显著影响合金液滴在固体表面上的铺展。然而,上述研究中合金液滴和基底总是包含相同的元素。但在许多实际的高温润湿体系中,液滴和基底中没有相同的元素。对于这样的润湿体系,尚不清楚当液相和固相之间有溶解发生时,它是如何影响液滴铺展的?

围绕上述问题,华北电力大学工程热物理研究中心王绍宇同学作为第一作者,王硕林同学作为第二作者,杨燕茹老师作为第三作者,王晓东教授作为通讯作者,在化工领域国际期刊Chemical Engineering Science上发表题目为“High-temperature reactive wetting systems: Role of lattice constant”的论文。该工作利用分子动力学模拟方法,对比研究了不同比率的Al-Cu和Al-Ni合金液滴在相同Ni(100)基底上的铺展,阐述了两种体系下铺展动力学规律相似的原因,并首次验证了水动力模型能够用于描述高温下非反应润湿体系的铺展过程。该研究有助于深入理解高温润湿现象背后的微观机理,为金属冶炼、合金制备等实际应用提供理论指导。


【论文概述】

论文采用分子动力学模拟方法,对比研究了不同比率Al-CuAl-Ni合金液滴在相同Ni100)基底上的铺展。模拟结果显示,随着铺展的进行,两种润湿体系下都会发生显著的溶解反应。溶解反应由两部分组成,包括基底中固态原子朝液滴的扩散以及液态原子朝金属基底的扩散。由于溶解反应对前驱膜的形成有抑制作用,整个过程没有观察到前驱膜产生。并且溶解反应会导致较快的铺展速率,当合金液滴含有较少的CuNi原子时,铺展变得更快。固态原子朝液滴的扩散速率大于液滴中液态原子朝基底的扩散速率,因此固态原子的扩散是液滴铺展速率变快的主要原因。同时发现,当Al-Cu合金液滴中的Cu原子浓度等于Al-Ni合金液滴中的Ni原子浓度时,液滴的铺展规律几乎一样,这是由于Cu原子和Ni原子具有相近的晶格常数导致的。

(对比Al-Cu液滴在不同Ni基底上的铺展过程,发现即使合金液滴不含有与基底相同的元素,溶解也能促进液滴在基底表面上铺展)


(左右对比可以发现,当合金液滴中Cu原子占比与Ni原子占比相同时,液滴各阶段铺展指数几乎相同)


(首次验证了水动力模型能够用于描述高温下非反应润湿体系的铺展过程)


论文主要得出以下结论:(1)Al-Cu/Ni和Al-Ni/Ni两种润湿系统表现出类似的润湿现象,即在液相和固相之间存在溶解反应,液滴铺展时没有前驱膜产生,并且当液滴含有较少的Cu原子或Ni原子时,扩散加速。(2)当Ni基底为刚性时,观察到Al-Cu液滴铺展时会出现前驱膜,证实溶解会抑制前躯膜的形成。通过比较Al-Cu合金液滴在松弛和刚性Ni基底上的铺展,证实溶解是额外驱动力。(3)当合金液滴含有较少的Ni原子时,Ni原子浓度远低于其饱和浓度,基底中Ni原子朝液滴的扩散速率加快,导致合金液滴具有较快的铺展速率。(4)铺展可分为两个阶段,包括快速铺展阶段和缓慢铺展阶段。结果显示,两种体系下快速铺展阶段和慢速铺展阶段的铺展指数完全相同,这是由于Cu原子和Ni原子具有相近的晶格常数导致的。

该论文得到了国家自然科学基金重点项目(51936004)、国家杰出青年科学基金(51525602)、国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51821004)和中央高校基本科研业务费专项资金(2017ZZD006)的资助。


撰稿人:王绍宇