The Innovation Materials | 双相共生形核模型解决一个多世纪悬而未决的难题

2024-02-08来源:材料科学与工程学院/格莱特研究院作者:郑功审核人:杨森编辑:曹佳音阅读:769

近日,我校陈光院士团队在The Innovation姊妹刊The Innovation Materials第1卷第3期以Report发表了“Coupled nucleation of dual-phase lamellar structure”。原文链接:https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-mater.2023.100043 DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2023.100043 。

片层结构广泛存在于动物、矿物、植物等材料中,例如贝壳、岩石、叶绿体基粒和珠光体钢等,但其形核过程一直存在争议,至今尚无定论。该文提出并建立了一种双相共生形核模型,在TiAl合金材料得到验证,为以往形核机理的争议提供了新的佐证,丰富了经典形核理论。

图1 图文摘要

1908年,德国科学家Tammann最早研究了共晶合金片层形核过程,提出了两相交替形核的假说,即A相先形核,随后B相挨着A相在其侧面形核,如此交替循环,但该假说未证实两相形核的先后顺序。在珠光体钢片层结构(渗碳体/铁素体)形核研究中,Hull等认为渗碳体为先形核相,而Hillert等则认为渗碳体和铁素体都可以为先形核相。然而,上述假说均无法解释贝壳片层结构(有机胶质层/无机碳酸钙层)的形核过程,因为无论有机胶质层先形核还是后形核,其在没有无机碳酸钙层的保护下会被海水冲刷腐蚀掉,无法形成片层结构。

图2 双相共生形核模型

针对上述片层结构形核的争议,我校陈光院士团队在The Innovation Materials发表的研究论文,提出并建立了双相共生形核模型:在经典形核理论方程基础上引入片层界面各向异性参数和形状因子,建立了片层结构形核方程,推导出临界片层晶核半径、临界片层晶核厚度与临界形核自由能。通过理论计算,双相共生时片层结构形核需要克服的自由能势垒最小,最容易形核;因此片层结构是以成对的方式形核,而不是传统观点认为的A相先形核或者B相先形核。双相共生形核模型图2所示。以TiAl合金材料为研究对象,文章的作者采用合金元素示踪、原位同步辐射和分子动力学模拟,验证了模型的正确性(图3、图4、图5)。

图3 合金元素Nb示踪

图4 原位同步辐射

图5 分子动力学模拟

 文章提出的双相共生形核模型解决了自1908年以来一直存在的片层结构形核争议,丰富了经典形核理论,对于未来继续研究片层材料的微观结构调控和性能改善具有指导意义,如通过调控片层形核过程来细化片层间距以提高力学性能等。