本文關(guān)鍵詞：鋁硅合金中共晶硅Sr變質(zhì)機理的理論和實驗研究

  更多相關(guān)文章： 鋁硅合金 第一性原理 三維重構(gòu) 表面吸附 變質(zhì)機理

【摘要】：鋁硅合金鑄造性能好,廣泛應(yīng)用于航空、機械工業(yè)中,但在常規(guī)鑄造形成的凝固組織中容易形成粗大硅相,尖銳的不規(guī)則形貌會割裂基體組織,極大程度地削弱了合金力學性能�；瘜W變質(zhì)法如添加Sr元素等能夠影響硅相的形貌、尺寸和分布,提高鋁硅合金的綜合性能,但學術(shù)界對Sr變質(zhì)機理存在諸多解釋,至今未有統(tǒng)一說法。本文結(jié)合理論計算和實驗研究,對亞共晶鋁硅合金的Sr變質(zhì)機理進行研究,通過模擬鍶原子在硅生長臺階的吸附,研究其對硅生長的影響,從電子作用力層次揭示鍶變質(zhì)硅相的本質(zhì)。Sr在Si(100)表面吸附的第一原理計算結(jié)果表明,Sr吸附降低了潔凈Si(100)表面的表面能,但Si原子在吸Sr表面的堆垛行為提高了吸附表面的表面能,這是因為Sr結(jié)合了潔凈Si(100)表面的懸掛鍵,但Sr原子半徑比Si大,導致堆垛表面晶格畸變,產(chǎn)生畸變能。分析電子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),Sr失去電子,其中一部分被Si的外層電子軌道獲得,但這部分數(shù)量較少,另一部分轉(zhuǎn)移到Sr-Si原子之間,因此Sr-Si原子間既有共價鍵,又有離子鍵,但共價鍵較弱;并且,堆垛表面上Sr的s、3d電子軌道雜化增強,這增強了Sr在Si(100)表面的吸附力。另外,吸附表面穩(wěn)定性不如體相,而且體相到表面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是一個緩慢過渡的過程。表面Sr-Si原子間作用力由Sr-s、3d電子和Si-3s3p電子共同貢獻,s、p電子軌道會發(fā)生雜化耦合現(xiàn)象,而且吸附表面的雜化程度明顯要比潔凈表面要高,表明吸附表面Sr-Si原子間作用力比潔凈表面Si-Si鍵強,Sr-Si原子結(jié)合比Si-Si更穩(wěn)定,吸附原子不易脫落。Sr-Si原子間的作用力為離子鍵和共價鍵,但在較高的Sr濃度下共價鍵較弱,甚至消失,從而導致Sr-Si原子間作用力減弱,這與Si(100)表面的Sr原子過度集中有關(guān),因為Sr原子之間的排斥力隨Sr原子濃度增大而增大,這種排斥力會拉遠Sr、Si原子距離,當Sr-Si原子距離超過Sr-Si共價鍵鍵長值(2.92?)時,共價鍵消失,因而減弱了Sr-Si原子間吸引力。電子結(jié)構(gòu)分析表明,Sr的外層電子Sr-s、3d與Si-3s3p相互作用降低了Si-Si原子間的3s3p雜化耦合程度,從而削弱了Si-Si原子間結(jié)合力,使吸附表面Si原子堆垛困難,這是Sr變質(zhì)的電子機理。光學顯微鏡金相照片、電子顯微鏡金相照片和三維重構(gòu)均表明未變質(zhì)的共晶硅相呈板片狀分布,并與觀測面法向以一定夾角嵌入初生鋁相中;變質(zhì)后的硅相近似圓球狀,晶粒尺寸顯著減小。研究發(fā)現(xiàn),在鋁硅合金中加入質(zhì)量分數(shù)為0.02%的Sr能夠變質(zhì)粗大的不規(guī)則硅相,獲得細小的等軸硅晶粒,減輕了應(yīng)力集中。在最佳變質(zhì)劑含量0.02%Sr范圍內(nèi),Sr含量越高,則變質(zhì)效果越明顯。理論計算和實驗研究共同證實了Sr變質(zhì)硅相的機理是吸附-毒化機制,Sr吸附提高了Si(100)堆垛表面的表面能,并且由于Sr-Si原子外層電子軌道Sr-s、3d和Si-3s、3p相互影響,削弱了堆垛層Si原子和表面Si原子,以及表面Si原子和表面以下Si原子間的原子鍵,降低了吸附表面的穩(wěn)定性,因此Sr吸附阻礙了Si原子在Si(100)吸附面上的堆垛,而吸附面?zhèn)让嫔L臺階并未受到Sr變質(zhì)劑抑制,從而可能轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌膿駜?yōu)生長面,從而改變硅相的生長方式和形貌。
【關(guān)鍵詞】：鋁硅合金 第一性原理 三維重構(gòu) 表面吸附 變質(zhì)機理
【學位授予單位】：南昌大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.21
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 鋁硅合金變質(zhì)方法與機理的研究現(xiàn)狀12-16
• 1.1.1 鋁硅合金變質(zhì)方法12-14
• 1.1.2 鋁硅合金變質(zhì)機理14-16
• 1.2 表面吸附及其研究16-19
• 1.2.1 表面吸附16-17
• 1.2.2 表面吸附的第一性原理研究17-19
• 1.3 本論文主要研究內(nèi)容及方法19-21
• 1.3.1 課題來源19
• 1.3.2 研究內(nèi)容19
• 1.3.3 研究方法19-21
• 第2章 理論計算方法21-27
• 2.1 密度泛函理論21-22
• 2.2 計算軟件介紹22
• 2.3 理論計算參數(shù)22-27
• 2.3.1 交換關(guān)聯(lián)泛函選擇22-23
• 2.3.2 吸附基體Si吸附面的選取23-24
• 2.3.3 收斂性測試24-27
• 2.3.3.1 截斷能收斂測試24
• 2.3.3.2 K-points測試24-25
• 2.3.3.3 原子層測試25
• 2.3.3.4 真空層測試25-27
• 第3章 潔凈Si(100)表面第一性原理計算27-43
• 3.1 Si體相結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性質(zhì)分析27-30
• 3.1.1 Si體相建模與參數(shù)設(shè)置27-28
• 3.1.2 Si體相結(jié)構(gòu)與性質(zhì)分析28-30
• 3.2 潔凈Si(100)表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究30-42
• 3.2.1 潔凈Si(100)表面建模與參數(shù)設(shè)置30-32
• 3.2.2 潔凈Si(100)表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)分析32-42
• 3.2.2.1 潔凈Si(100)表面原子結(jié)構(gòu)32-33
• 3.2.2.2 潔凈Si(100)表面能33-34
• 3.2.2.3 布居分析34-38
• 3.2.2.4 電荷密度38-40
• 3.2.2.5 態(tài)密度分析40-42
• 3.3 本章小結(jié)42-43
• 第4章 Si(100)表面吸附Sr的第一性原理計算43-63
• 4.1 Sr體相計算與分析43-45
• 4.1.1 體相模型與計算參數(shù)43-44
• 4.1.2 Sr體相性質(zhì)分析44-45
• 4.2 Sr原子濃度對吸附的影響及穩(wěn)定的吸附位置45-54
• 4.2.1 Si(100)表面吸附建模與參數(shù)設(shè)置45-47
• 4.2.2 吸附結(jié)構(gòu)及其變化47-50
• 4.2.3 吸附能和表面能分析50-51
• 4.2.4 布居分析51-52
• 4.2.5 電荷密度和差分電荷密度分析52-54
• 4.3 Sr吸附結(jié)構(gòu)對硅生長的影響54-60
• 4.3.1 Si(100)表面Si原子堆垛結(jié)構(gòu)54-56
• 4.3.2 Si(100)表面Si原子堆垛的表面能分析56
• 4.3.3 Si(100)表面Si原子堆垛的電子結(jié)構(gòu)分析56-60
• 4.4 本章小結(jié)60-63
• 第5章 亞共晶鋁硅合金Sr變質(zhì)實驗研究63-79
• 5.1 實驗材料及設(shè)備63-68
• 5.1.1 實驗材料63-64
• 5.1.2 實驗設(shè)備64-65
• 5.1.3 實驗技術(shù)路線65-68
• 5.2 Al-7Si合金的制備工藝及流程68-69
• 5.2.1 合金成分設(shè)計68
• 5.2.2 制備工藝和流程68-69
• 5.3 實驗分析方法69-71
• 5.3.1 金相制備69
• 5.3.2 金相觀察69
• 5.3.3 三維重構(gòu)69-71
• 5.3.3.1 連續(xù)切片69-71
• 5.3.3.2 金相圖處理及三維形貌的重構(gòu)71
• 5.4 實驗結(jié)果分析71-77
• 5.4.1 光學顯微鏡金相分析71-74
• 5.4.2 掃描電子顯微鏡分析74-76
• 5.4.3 三維重構(gòu)分析76-77
• 5.5 本章小結(jié)77-79
• 第6章 結(jié)論與展望79-81
• 6.1 主要結(jié)論79-80
• 6.2 展望80
• 6.3 本文的主要創(chuàng)新點80-81
• 致謝81-82
• 參考文獻82-88
• 攻讀學位期間所發(fā)表的論文88

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 談淑詠;杜舜堯;王曉慧;張磊;朱雪鋒;;Sr變質(zhì)及固溶時效對鋁硅合金組織和性能的影響[J];熱加工工藝;2015年22期

2 欒慶彬;皮孝東;;半導體納米晶體在薄膜晶體管中的應(yīng)用[J];材料導報;2014年21期

3 李峰;楊鶯;李碧珊;陳進;邢青青;侯志斌;;Si(100)表面S鈍化效果與穩(wěn)定性研究[J];人工晶體學報;2014年07期

4 邱鑫茂;李鵬昌;何春洪;曾永志;;Mn在Si(001)表面吸附的第一性原理研究[J];福建輕紡;2014年06期

5 趙躍武;;硅材料在鐘表結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用探究[J];產(chǎn)業(yè)與科技論壇;2014年05期

6 張芳;李偉;危書義;;The chemisorption of Mg on the Si(100)-(2×1) surface[J];Journal of Semiconductors;2012年11期

7 陳霖;趙玉濤;賈志宏;陳登斌;;Zr對過共晶鋁硅合金中初生硅組織的影響[J];功能材料;2012年17期

8 王守仁;馬茹;王英姿;王勇;楊麗穎;;鑄態(tài)亞共晶Al-Si合金中初生硅的生長機制(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2012年06期

9 孫瑜;龐紹平;劉學然;楊子潤;孫國雄;;亞共晶Al-Si合金共晶團的形核與生長(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2011年10期

10 高鵬飛;楊軍;;鋰離子電池硅復合負極材料研究進展[J];化學進展;2011年Z1期

，

本文編號：589317