液态Li在固体Cu和Fe表面润湿性的分子动力学模拟研究

发布时间：2017-08-07 12:32

  本文关键词：液态Li在固体Cu和Fe表面润湿性的分子动力学模拟研究

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【摘要】：随着经济的日益增长,能源紧缺的问题也逐渐凸显。核能,特别是核聚变能,作为一种无限,清洁,安全的新型能源而备受关注。实现核聚变能的关键之处是要解决第一壁材料的问题。聚变反应堆中的第一壁材料包括了转移第一壁热负荷的偏滤器和阻挡等离子体撞击真空腔的限制器。液态金属Li,作为可以承受较高的表面热负荷和高通量中子辐射的液态偏滤器的候选组成材料之一,能够有效地降低杂质和提高等离子体的性能,前提条件是要保证液态金属Li能够在偏滤器中的固体材料表面上不停地流动。因此,探究液态金属Li在其流动的固体表面上的润湿性就非常必要。此外,深入地探究液滴与固体材料表面之间的润湿性,可以有效地改善材料的性能,从而提高材料的使用价值。本文主要探究了液态金属Li分别在固体Cu和Fe表面上的润湿性。本文运用分子动力学方法和MAEAM势模拟计算Li液滴在不同的Cu和Fe表面的润湿性,通过观察前驱膜和固液界面的特性,以及液滴接触角的变化来分析基底结构和温度对其润湿性的影响。Li液滴在基底Cu和Fe表面上扩散时均会形成前驱膜,其中在Cu(100), Cu(111)以及Fe(110), Fe(111)表面上形成的前驱膜呈现为正圆形,但是在Cu(110)表面上形成的前驱膜呈现出了椭圆形,而Fe(100)表面上的前驱膜最终则呈现出了方圆形。Cu(100),(111)以及Fe(100),(110)表面上的固液界面相对的平整,没有发生表面合金反应,因此表面上所形成的前驱膜为单原子层厚度的纯Li膜。然而Li-Cu(110)和Li-Fe(111)润湿体系中的固液界面则相对的混乱,Li液滴在Cu(100)表面上发生了明显的液滴原子与基底原子相互交换位置的现象,形成的前驱膜为单原子层厚度的Li-Cu合金层,Li液滴在Fe(111)表面上发生了非常细微不易察觉的表面合金化反应,仅有极少数的基底Fe原子进入到了液滴当中,形成了多层厚度的前驱膜。在Li-Cu润湿体系中,由于Li原子在Cu(111)表面上的扩散势垒更小,Li液滴在其表面上扩散的速度也就比在Cu(100)表面上扩散得更快。Li液滴在Cu(111)表面上的接触角最小,最大的液滴接触角则出现在没有形成前驱膜的Cu(110)表面沿着[001]晶向上。对于Li-Fe润湿体系来说,Li液滴在Fe(110)表面上的润湿性最好,为完全润湿,其次为Fe(111)表面,Fe(100)表面上液滴的扩散速度最慢。总之,同温度下Li液滴表现出不同的润湿特性取决于不同的基底结构对其的影响。此外,本文还研究了Li液滴润湿性的温度效应,发现随着温度的升高,Li-Cu(100)和Li-Fe(100)体系的润湿性都更好。本文的研究希望对研究Li-Cu, Li-Fe材料相关特性的实验研究提供理论依据。
【关键词】：润湿性 分子动力学 固液界面 前驱膜
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O614.111;O647
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 研究背景与意义12-14
• 1.2 润湿性的简介14-16
• 1.3 润湿性的研究进展16-17
• 1.4 本文研究内容17-18
• 第2章 基本模型及方法介绍18-25
• 2.1 引言18
• 2.2 分子动力学方法18-21
• 2.2.1 分子动力学简介18-19
• 2.2.2 有限差分法19-21
• 2.2.3 系综简介21
• 2.3 改进分析型嵌入原子势(MAEAM)21-22
• 2.4 模型的构建22-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第3章 前驱膜的概念及性质25-33
• 3.1 引言25
• 3.2 Li-Cu润湿体系中形成的前驱膜25-29
• 3.3 Li-Fe润湿体系中形成的前驱膜29-31
• 3.4 温度对前驱膜铺展的影响31-32
• 3.5 本章小结32-33
• 第4章 固液界面的相关特性33-39
• 4.1 引言33
• 4.2 Li-Cu润湿体系中固液界面的相关性质33-35
• 4.3 Li-Fe润湿体系中固液界面的相关性质35-36
• 4.4 温度对固液界面的影响36-37
• 4.5 本章小结37-39
• 第5章 Li液滴的扩散半径与接触角39-44
• 5.1 引言39
• 5.2 Li-Cu润湿体系中Li液滴的扩散半径与接触角39-41
• 5.3 Li-Fe润湿体系中Li液滴的扩散半径和接触角41-43
• 5.4 本章小结43-44
• 结论44-45
• 参考文献45-51
• 致谢51-52
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录52

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本文编号：634733