Исследования методом молекулярной динамики свойств ионных расплавов, полученных при контактном плавлении Гончаренко, Елена Александровна

Введение к работе

Актуальность темы

Одной из актуальных проблем материаловедения является исследование и прогнозирование физико-химических свойств расплавов с целью создания новых материалов. Разработка современных технологий во многих случаях тесно связана с развитием представлений о структуре расплавов и фазовых превращениях первого рода. Определенный прогресс в описании закономерностей процесса плавления был достигнут с открытием и изучением явления контактного плавления. Исследование явления контактного плавления получило развитие в связи с его широким применением в промышленных технологиях (получение сплавов с заданными свойствами, пайка и резка материалов, изготовление керамических изделий, получение неразъёмных соединений). Контактное плавление применяют также в научных исследованиях, как метод физико-химического анализа и метод изучения расплавов с градиентом концентрации. Наиболее широко его используют для экспериментального изучения расплавов, находящихся при температурах ниже температуры плавления каждого из контактируемых кристаллов в отдельности, в частности для определения коэффициентов взаимной диффузии, концентрационного распределения, влияния внешних воздействий на структурно-динамические свойства расплавов, а также для изучения межфазных явлений и фазовых переходов. Для описания этих характеристик используются теоретические методы, в основе которых лежит феноменологический подход (решение диффузионных задач с использованием уравнения Фика). К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по свойствам расплавов, полученных при контактном плавлении металлических систем, проводятся исследования по ионным системам. Повышенный интерес к последним, вызван как запросами практики, так и развивающимися возможностями теоретического анализа в связи с развитием вычислительной техники.

Современное развитие численных методов и появление быстродействующих компьютеров, позволили в настоящее время подойти к объяснению явлений и изучению свойств на молекулярном (атомарном) уровне. С помощью компьютерных

экспериментов появилась возможность моделирования явления контактного плавления и влияния внешних воздействий на структурно-динамические и кинетические свойства ионного расплава, получаемого при контактном плавлении. В теоретическом аспекте знание атомного упорядочения позволяет глубже раскрыть особенности строения расплава, оценить потенциалы межчастичного взаимодействия, необходимые для расчета физико-химических свойств расплавов, получаемых при контактном плавлении.

Цель работы

Целью настоящей работы является молекулярно-дина-мическое исследование свойств расплавов, получаемых при контактном плавлении ионных кристаллов.

Для достижения данной цели, в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. развитие метода молекулярной динамики для исследования свойств ионных расплавов, получаемых при контактном плавлении;

2. молекулярно-динамическое исследование свойств расплавов, получаемых при контактном плавлении и анализ результатов в зависимости от анионного и катионного состава исследуемых систем;

3. проведение компьютерного эксперимента по влиянию внешнего электромагнитного поля на исследуемые системы.

Научная новизна

4. Разработано программное обеспечение, которое позволяет исследовать основные кинетические и структурные характеристики ионных расплавов, получаемых при контактном плавлении с учетом воздействия электромагнитного поля.

5. Рассчитаны коэффициенты диффузии, парциальные радиальные функции распределения, автокорреляционные функции скоростей для расплавов, полученных при контактном плавлении, с различным анионным и катионным составом.

6. Установлены области частот внешнего электромагнитного поля для которых наблюдается резкое возрастание парциальных коэффициентов диффузии и изменение параметров парциальной радиальной функции распределения.

Практическая ценность

7. Полученные в компьютерном эксперименте результаты представляют значительный научный и практический интерес, а также могут быть использованы для дальнейшего развития теории фазовых переходов и теории процессов, происходящих на микроуровне.

8. Разработанное программное обеспечение, позволяющее визуализировать процессы, происходящие на молекулярном уровне в расплавах, может использоваться для постановки компьютерных экспериментов при чтении курса "Молекулярная физика".

9. Программный комплекс, реализующий молекулярно-динамическое моделирование, передан для дальнейшего внедрения на АОО «НЗПП».

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие основные положения.

10. Молекулярно-динамический подход, позволяющий исследовать структурно-динамические характеристики ионных расплавов, получаемых при контактном плавлении, а также учитывать воздействия внешнего электромагнитного поля с заданными характеристиками (напряженность, частота, направление).

11. Результаты численного моделирования ионных расплавов, получаемых при контактном плавлении и установленная на их основе закономерность изменения структурно-динамических характеристик расплавов от их катионного и анионного состава.

12. Результаты численного моделирования влияния внешнего электромагнитного поля и установленные на их основе закономерности между структурно-динамическими характеристиками расплава и параметрами электромагнитного поля (напряженность, частота, направление).

Апробация полученных результатов Основные положения диссертационной работы

докладывались и обсуждались на следующих научно-практических

конференциях и семинарах.

1. IX Международная конференция "Уравнения
состояния вещества в экстремальных условиях", Нальчик, 1994.

2. Euchem Confrence on Molten Salts, Bad Herrenalb,
Germany, August 21-26, 1994.

3. Научные семинары "Расплавленные соли" департамента физики и химии Королевского университета г.Белфаста, Великобритания, 1995.

4. Gordon Research Conference on Molten and Liquid Metals, Plymouth State College, Plymouth, NH, USA, August 6-11, 1995.

5. XI Международная конференция "Уравнения состояния вещества в экстремальных условиях", Нальчик, 1996.

6. Euchem Confrence on Molten Salts, Smolenice Castle, Slovakia, September 15-20, 1996.

7. Gordon Research Conference on Molten and Liquid Metals, New England College, Henniker, NH, USA, August 3-8, 1997.

8. 5-th Iternational Symposium on Molten Salt Chemistry and Technology, Dresden, Federal Republic of Germany, August 24-29, 1997.

9. XI конференция по физической химии и электрохимии расплавленных и твердых электролитов, Екатеринбург, 27-29 января 1998 г.

10.Euchem Confrence on Molten Salts From Structural Aspects, Porquerolles, France, 27 June-3 July, 1998.

11.Семинары на кафедре естественных дисциплин Нальчикского колледжа дизайна. Личный склад автора

Базируясь на программном обеспечении и опыте постановки численных экспериментов, развитых в работах Зильбермана П.Ф. и Знаменского B.C., диссертантом была развита и совершенствована методика и программное обеспечение по исследованию структурно-кинетических свойств расплавов, получаемых в зоне контакта при условиях контактного плавления. Модернизировано программное обеспечение для исследования .взаимных систем, состоящих из ионов четырех различных типов, усложнена структура программы и последовательность численного эксперимента для,исследования различных начальных состояний. В программу введены блоки для расчета основных структурно-кинетических характеристик расплава с учетом влияния внешнего (постоянного, переменного) поля. Все описанные компьютерные эксперименты, интерпретация полученных результатов и формулировка основных выводов проводились лично автором. Руководители работы участвовали в планировании экспериментов и обсуждении полученных результатов.

Структура и объём диссертации

Диссертация содержит 131 страницу текста и состоит из введения, трех глав основного текста, каждая из которых заканчивается выводами, 20 таблиц, 14 рисунков, выводов из диссертационной работы и заключения. Список литературы включает 184 наименования.