金屬液滴廣泛存在于各種先進金屬加工制造過程中，如難混溶合金制備、精密焊接與噴射成形、選區(qū)激光熔化或燒蝕加工、等離子金屬霧化制粉等。掌握液滴表面張力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及其隨曲率、溫度以及合金濃度變化的物理規(guī)律是優(yōu)化和調(diào)控這些重要過程的關(guān)鍵所在，有助于我國先進金屬加工制造領(lǐng)域的發(fā)展進步。由于實驗直接測量液滴表面張力較為困難，近年來大量研究工作致力于發(fā)展“計算機實驗”測量技術(shù)以及精準(zhǔn)預(yù)測液滴表面張力的熱力學(xué)理論。然而，已有的計算研究多關(guān)注模型物質(zhì)體系的液滴/氣泡體系，很少涉及具有實際應(yīng)用價值的合金液滴體系;目前最先進的液滴形態(tài)熱力學(xué)理論僅在剛性液滴模型體系中得到驗證，未能在實際液滴體系中獲得檢驗。

本論文采用分子動力學(xué)方法的平衡態(tài)液滴模擬技術(shù)，以具有實際應(yīng)用價值的難混溶鋁-鉛合金(軸承合金)液滴體系為研究對象，系統(tǒng)地計算該液滴體系一系列重要熱力學(xué)量及其隨液滴尺寸、溫度的高精度變化規(guī)律。實現(xiàn)了形態(tài)熱力學(xué)理論在實際金屬液滴體系的有效性驗證，以及難混溶鋁鉛合金液滴表面張力的精準(zhǔn)預(yù)測。并獲得了形態(tài)熱力學(xué)理論中剛度系數(shù)臨界行為的定量認識。

具體的工作包括:

1.針對液-液界面液滴體系，發(fā)展了一套模擬-表征分析-計算一體化研究方法。其中應(yīng)用了球坐標(biāo)系及柱坐標(biāo)系下的Irving-Kirkwood局域壓強張量算法。利用這套方法，我們系統(tǒng)計算了不同溫度和半徑的鋁、鉛液滴(柱)的密度、濃度、壓強、應(yīng)力的徑向分布函數(shù)。獲得了液滴(柱)內(nèi)合金互溶度、內(nèi)壓等熱力學(xué)量隨溫度和半徑的變化關(guān)系。液滴內(nèi)的鋁鉛互溶度低于塊體相圖所預(yù)言的互溶度，偏差程度隨著溫度的升高以及液滴(柱)半徑的減小而增大。

2.高精度地計算了不同溫度和半徑液滴與液柱體系的鋁鉛液-液界面的表面張力的曲率依賴關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)鋁液滴(柱)的表面張力隨半徑增大而增大，而鉛液滴(柱)的表面張力隨著半徑增大而減小。這種變化趨勢起源于鋁、鉛原子的尺寸不匹配以及其在界面彎曲情況下的堆積方式。同一套參數(shù)下，形態(tài)熱力學(xué)理論能夠同時完美描述液滴和液柱的表面張力計算結(jié)果，高可信度地驗證了其在具有毛細波漲落的金屬液滴體系中的有效性和普適性。通過使用形態(tài)熱力學(xué)理論擬合計算結(jié)果，我們進一步提取出先前鮮有報道的彎曲剛度和高斯曲率剛度數(shù)值，及其隨溫度的變化關(guān)系。液-液界面彎曲剛度隨著溫度的升高而減小，并發(fā)現(xiàn)在溫度達到1300K左右，界面彎曲剛度由正值變?yōu)樨撝?，對?yīng)著液滴系統(tǒng)穩(wěn)定性發(fā)生轉(zhuǎn)變，由低溫的穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)楦邷氐姆欠€(wěn)狀態(tài)。液-液界面的高斯曲率剛度在所有溫度下均為負值，并且隨著溫度的升高而增大。彎曲剛度和高斯曲率剛度數(shù)值與符號可用經(jīng)典彈性膜理論來類比解釋，但溫度變化規(guī)律尚缺少統(tǒng)計物理理論模型的定量解釋。

3.形態(tài)熱力學(xué)理論研究所獲取的鋁-鉛液液界面彎曲剛度和高斯曲率剛度數(shù)據(jù)，讓我們有能力揭示液體表面張力高階系數(shù)的臨界行為。通過對表面張力、Tolman長度、彎曲剛度和高斯曲率剛度等四個核心表面張力系數(shù)參量的溫度依賴關(guān)系分別用不同的冪函數(shù)擬合，計算出四個參量臨界行為的定量描述。計算出彎曲剛度和高斯曲率剛度的臨界指數(shù)分別為5.98和2.49。此計算結(jié)果預(yù)言遠離臨界溫度，彎曲剛度的變化速率比高斯曲率剛度快;在臨界點鄰域，隨著表面張力數(shù)值趨零，彎曲剛度和高斯曲率剛度也漸趨為零，區(qū)別于Tolman長度臨界點鄰域的發(fā)散行為。

4.開發(fā)了捕捉液滴瞬態(tài)形貌的計算方法。根據(jù)瞬態(tài)界面形貌數(shù)據(jù)，開展了本征界面的統(tǒng)計分析，計算出液滴表面局域曲率及其概率分布函數(shù)，構(gòu)建局域界面形態(tài)系綜，從更本質(zhì)的物理視角闡釋表面張力隨曲率變化關(guān)系的機理。本論文取得的形態(tài)熱力學(xué)理論在實際液滴體系的驗證，讓精準(zhǔn)預(yù)測任意溫度、任意形狀液體表面張力成為可能，再結(jié)合針對鋁鉛合金體系的取得的界面熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，能夠收獲利用液體壓強調(diào)節(jié)界面粒子堆積模式以及液滴合金成分的調(diào)控思路，并為高品質(zhì)彌散相難混溶合金的制備工藝的提升提供理論指導(dǎo)，以及促進納米合金相圖熱力學(xué)理論的發(fā)展。

本論文發(fā)展的液滴系統(tǒng)的模擬-計算-分析方法技術(shù)，能夠廣泛應(yīng)用于各種先進加工制造過程所涉及的金屬液滴體系，也可拓展到諸如固液相變形核、液相夾雜物、軟物質(zhì)液滴等體系的研究中。本論文關(guān)于兩個液體表面剛度系數(shù)臨界行為的計算研究豐富了相變與臨界現(xiàn)象理論體系范疇，提出了相關(guān)統(tǒng)計物理理論的發(fā)展需求。