金屬液滴廣泛存在于各種先進(jìn)金屬加工制造過程中，如難混溶合金制備、精密焊接與噴射成形、選區(qū)激光熔化或燒蝕加工、等離子金屬霧化制粉等。掌握液滴表面張力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及其隨曲率、溫度以及合金濃度變化的物理規(guī)律是優(yōu)化和調(diào)控這些重要過程的關(guān)鍵所在，有助于我國先進(jìn)金屬加工制造領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)步。由于實(shí)驗(yàn)直接測量液滴表面張力較為困難，近年來大量研究工作致力于發(fā)展“計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)”測量技術(shù)以及精準(zhǔn)預(yù)測液滴表面張力的熱力學(xué)理論。然而，已有的計(jì)算研究多關(guān)注模型物質(zhì)體系的液滴/氣泡體系，很少涉及具有實(shí)際應(yīng)用價值的合金液滴體系;目前最先進(jìn)的液滴形態(tài)熱力學(xué)理論僅在剛性液滴模型體系中得到驗(yàn)證，未能在實(shí)際液滴體系中獲得檢驗(yàn)。

本論文采用分子動力學(xué)方法的平衡態(tài)液滴模擬技術(shù)，以具有實(shí)際應(yīng)用價值的難混溶鋁-鉛合金(軸承合金)液滴體系為研究對象，系統(tǒng)地計(jì)算該液滴體系一系列重要熱力學(xué)量及其隨液滴尺寸、溫度的高精度變化規(guī)律。實(shí)現(xiàn)了形態(tài)熱力學(xué)理論在實(shí)際金屬液滴體系的有效性驗(yàn)證，以及難混溶鋁鉛合金液滴表面張力的精準(zhǔn)預(yù)測。并獲得了形態(tài)熱力學(xué)理論中剛度系數(shù)臨界行為的定量認(rèn)識。

具體的工作包括:

1.針對液-液界面液滴體系，發(fā)展了一套模擬-表征分析-計(jì)算一體化研究方法。其中應(yīng)用了球坐標(biāo)系及柱坐標(biāo)系下的Irving-Kirkwood局域壓強(qiáng)張量算法。利用這套方法，我們系統(tǒng)計(jì)算了不同溫度和半徑的鋁、鉛液滴(柱)的密度、濃度、壓強(qiáng)、應(yīng)力的徑向分布函數(shù)。獲得了液滴(柱)內(nèi)合金互溶度、內(nèi)壓等熱力學(xué)量隨溫度和半徑的變化關(guān)系。液滴內(nèi)的鋁鉛互溶度低于塊體相圖所預(yù)言的互溶度，偏差程度隨著溫度的升高以及液滴(柱)半徑的減小而增大。

2.高精度地計(jì)算了不同溫度和半徑液滴與液柱體系的鋁鉛液-液界面的表面張力的曲率依賴關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)鋁液滴(柱)的表面張力隨半徑增大而增大，而鉛液滴(柱)的表面張力隨著半徑增大而減小。這種變化趨勢起源于鋁、鉛原子的尺寸不匹配以及其在界面彎曲情況下的堆積方式。同一套參數(shù)下，形態(tài)熱力學(xué)理論能夠同時完美描述液滴和液柱的表面張力計(jì)算結(jié)果，高可信度地驗(yàn)證了其在具有毛細(xì)波漲落的金屬液滴體系中的有效性和普適性。通過使用形態(tài)熱力學(xué)理論擬合計(jì)算結(jié)果，我們進(jìn)一步提取出先前鮮有報道的彎曲剛度和高斯曲率剛度數(shù)值，及其隨溫度的變化關(guān)系。液-液界面彎曲剛度隨著溫度的升高而減小，并發(fā)現(xiàn)在溫度達(dá)到1300K左右，界面彎曲剛度由正值變?yōu)樨?fù)值，對應(yīng)著液滴系統(tǒng)穩(wěn)定性發(fā)生轉(zhuǎn)變，由低溫的穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)楦邷氐姆欠€(wěn)狀態(tài)。液-液界面的高斯曲率剛度在所有溫度下均為負(fù)值，并且隨著溫度的升高而增大。彎曲剛度和高斯曲率剛度數(shù)值與符號可用經(jīng)典彈性膜理論來類比解釋，但溫度變化規(guī)律尚缺少統(tǒng)計(jì)物理理論模型的定量解釋。

3.形態(tài)熱力學(xué)理論研究所獲取的鋁-鉛液液界面彎曲剛度和高斯曲率剛度數(shù)據(jù)，讓我們有能力揭示液體表面張力高階系數(shù)的臨界行為。通過對表面張力、Tolman長度、彎曲剛度和高斯曲率剛度等四個核心表面張力系數(shù)參量的溫度依賴關(guān)系分別用不同的冪函數(shù)擬合，計(jì)算出四個參量臨界行為的定量描述。計(jì)算出彎曲剛度和高斯曲率剛度的臨界指數(shù)分別為5.98和2.49。此計(jì)算結(jié)果預(yù)言遠(yuǎn)離臨界溫度，彎曲剛度的變化速率比高斯曲率剛度快;在臨界點(diǎn)鄰域，隨著表面張力數(shù)值趨零，彎曲剛度和高斯曲率剛度也漸趨為零，區(qū)別于Tolman長度臨界點(diǎn)鄰域的發(fā)散行為。

4.開發(fā)了捕捉液滴瞬態(tài)形貌的計(jì)算方法。根據(jù)瞬態(tài)界面形貌數(shù)據(jù)，開展了本征界面的統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算出液滴表面局域曲率及其概率分布函數(shù)，構(gòu)建局域界面形態(tài)系綜，從更本質(zhì)的物理視角闡釋表面張力隨曲率變化關(guān)系的機(jī)理。本論文取得的形態(tài)熱力學(xué)理論在實(shí)際液滴體系的驗(yàn)證，讓精準(zhǔn)預(yù)測任意溫度、任意形狀液體表面張力成為可能，再結(jié)合針對鋁鉛合金體系的取得的界面熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，能夠收獲利用液體壓強(qiáng)調(diào)節(jié)界面粒子堆積模式以及液滴合金成分的調(diào)控思路，并為高品質(zhì)彌散相難混溶合金的制備工藝的提升提供理論指導(dǎo)，以及促進(jìn)納米合金相圖熱力學(xué)理論的發(fā)展。

本論文發(fā)展的液滴系統(tǒng)的模擬-計(jì)算-分析方法技術(shù)，能夠廣泛應(yīng)用于各種先進(jìn)加工制造過程所涉及的金屬液滴體系，也可拓展到諸如固液相變形核、液相夾雜物、軟物質(zhì)液滴等體系的研究中。本論文關(guān)于兩個液體表面剛度系數(shù)臨界行為的計(jì)算研究豐富了相變與臨界現(xiàn)象理論體系范疇，提出了相關(guān)統(tǒng)計(jì)物理理論的發(fā)展需求。