Acta Mater.：深過冷Ni50Ti50液體中擴散系數與結晶動力學系數的線性關系

【引言】

研究晶體的形核和長大對冶金學、制藥學、氣候變化以及生物健康具有重大意義。但是，通常晶體形核長大伴隨的熱力學和動力學之間的競爭導致結晶過程出現難以置信的復雜情形。到目前為止，無論在實驗還是數值模擬方面，幾乎都沒有已知的NiTi深過冷液體的自擴散系數D和粘度η數據。因此，深過冷Ni₅₀Ti₅₀液體的快速結晶過程的微觀起源仍然難以捉摸。最近，分子動力學模擬已被證明可以有效地研究深過冷液體的結晶過程，這對本次研究NiTi形狀記憶合金（SMA）在深過冷液態下的結晶過程有了巨大幫助。

【成果簡介】

近日，北京計算科學研究中心管鵬飛研究員和清華大學柳百新院士（共同通訊作者）等團隊在Acta Materialia上發表題為“The linear relationship between diffusivity and crystallization kinetics in a deeply supercooled liquid Ni₅₀Ti₅₀?alloy”的文章。研究團隊通過分子動力學模擬研究了深過冷條件下Ni₅₀Ti₅₀液體的結晶過程。研究表明，Ni₅₀Ti₅₀深過冷液體表現出極快的晶化行為，這與利用液體粘度預測得到的理論晶化速率相違背；進一步的分析表明深過冷條件下結晶動力學系數與液體的擴散系數呈線性關系，表明在Ni₅₀Ti₅₀深過冷液體所表現出的快速晶化行為是由原子擴散而不是粘度所決定的。基于計算模擬發現，產生這一結果的根本原因在于在高脆性深過冷液體中，原子擴散與液體粘度之間的退耦合，即斯托克斯- 愛因斯坦(D ~ η^-1)關系的失效。這一液體結晶動力學系數與擴散系數的線性關系普遍存在于高脆性深過冷液體中，應該是深過冷液體的本征屬性。

【圖文導讀】

圖1.結晶度α(t)曲線

a. 不同溫度下Ni50Ti₅₀過冷液體結晶過程中結晶度隨時間的關系曲線。空心圓顯示KJMA模型的擬合結果。

b.?在最高溫度825K下的快照，此溫度下體系中只形成一個晶核。

c.?在最低溫度700K下的快照，此溫度下體系中同時存在多個晶核。

圖2.晶核生長速率與溫度（T）的關系曲線

上圖是晶核生長速率與溫度的關系曲線，插圖中展示了三個代表性溫度下，晶核等效半徑隨時間的變化，插圖中實線表示斜率u = dR/dt。

圖3.晶核生長動力學系數隨溫度變化的曲線

圖中實線由方程擬合得出，由此看出沒有隨溫度線性變化，表現出很強的non-Arrhenius行為。

圖4. 晶核生長速率u與溫度的關系曲線

圖中實線是展示了理論估算的生長速率，圖中的菱形展示了不同過冷度下的模擬得到生長速率。理論值和模擬值基本重合，表明理論預測的可靠性。

圖5. 自擴散系數D與溫度的依賴性

上圖展示了深過冷液體在700 K到825 K的自擴散系數D隨溫度的變化關系，圖中虛線展示了其non-Arrhenius行為。插圖中展示了更寬溫度范圍下（700 K到1300 K），自擴散系數D隨溫度的變化關系，實線表示Arrhenius擬合。彩色菱形顯示700-825K溫度范圍內的自擴散系數D偏離了Arrhenius行為。

圖6. 自擴散系數D與晶核生長動力系數的關系

圖中顯示了深過冷液體在700 K到825 K的溫度范圍內，自擴散系數D與晶體生長動力學系數呈線性關系。

【小結】

文章不僅揭示了深過冷液體快速結晶的動力學起源，而且為研究深過冷液體的結構弛豫指明了新方向。

文獻鏈接：The linear relationship between diffusivity and crystallization kinetics in a deeply supercooled liquid Ni₅₀Ti₅₀?alloy(Acta Mater.,2018,10.1016/j.actamat.2018.04.008)

本文由材料人編輯部金屬組熊富豪編輯，點我加入材料人編輯部。

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