Termodynamiczne, strukturalne i termofizyczne w┼éa┼Ťciwo┼Ťci ciek┼éych stop├│w Al-Li-Zn

Drukuj

Thermodynamic, structural and thermophysical properties of liquid Al-Li-Zn

Marcela Trybuła

 

Streszczenie

Znajomo┼Ť─ç w┼éa┼Ťciwo┼Ťci termodynamicznych, fizykochemicznych i strukturalnych ciek┼éych stop├│w jest niezb─Ödna do projektowania materia┼é├│w o specjalnych w┼éa┼Ťciwo┼Ťciach i przeznaczeniu, jak np. materia┼éy do magazynowania wodoru. Zatem wiedza dotycz─ůca wzajemnej korelacji mi─Ödzy owymi w┼éa┼Ťciwo┼Ťciami jest niezb─Ödna do usprawnienia proces├│w technologicznych (topienie, odlewanie), kt├│re bywaj─ů dla wielu ciek┼éych stop├│w trudne do wykonania. W tym celu, konieczna jest znajomo┼Ť─ç natury oddzia┼éywa┼ä mi─Ödzy atomami oraz ich wzajemnego powinowactwa.

G┼é├│wny przedmiot bada┼ä stanowi┼éy trzy ciek┼ée stopy tr├│jsk┼éadnikowe Al-Li-Zn, o sk┼éadzie odpowiadaj─ůcym trzem fazom mi─Ödzymetalicznym obecnym w uk┼éadzie Al-Li-Zn w stanie sta┼éym. Podstaw─Ö dla analiz uk┼éadu tr├│jsk┼éadnikowego stanowi┼éy badania sk┼éadaj─ůcych si─Ö na niego trzech stop├│w dwusk┼éadnikowych(Al-Li, Li-Zn, Al-Zn).
Niniejsza praca skupia si─Ö na opisie zale┼╝no┼Ťci pomi─Ödzy struktur─ů, a w┼éa┼Ťciwo┼Ťciami termodynamicznymi oraz transportowymi ciek┼éych stop├│w Al-Li-Zn. Analiza tych zale┼╝no┼Ťci przeprowadzona zosta┼éa z zastosowaniem szerokiej gamy metod eksperymentalnych oraz obliczeniowych. Eksperymentalne pomiary funkcji termodynamicznych mieszania oraz cz─ůstkowych, zosta┼éy wykonane metod─ů ogniw galwanicznych. W┼éa┼Ťciwo┼Ťci fizykochemiczne badano odpowiednio z wykorzystaniem metody wyp┼éywu cieczy przez otw├│r na dnie naczynia (ang. Draining Crucible method, DC). W┼Ťr├│d zastosowanych metod obliczeniowych mo┼╝na wymieni─ç symulacje dynamiki molekularnej klasycznej i ab initio (MD oraz AIMD). Charakterystyka chemicznego uporz─ůdkowania bliskiego zasi─Ögu zosta┼éa przeprowadzona poprzez wyznaczenie parametru bliskiego zasi─Ögu (CSRO) z oblicze┼ä ab initio. Natomiast topologi─Ö lokalnego rozk┼éadu atom├│w zbadano za pomoc─ů metod: analizy najbli┼╝szych s─ůsiad├│w (ang. Common Neighbour Analysis, CNA) oraz wielo┼Ťcian├│w Voronoia (ang. Voronoi, Analysis, VA). Analiza w┼éa┼Ťciwo┼Ťci fizykochemicznych zosta┼éa wzbogacona o dane uzyskane z oblicze┼ä modelami p├│┼éempirycznymi.

Analizy w┼éa┼Ťciwo┼Ťci termodynamicznych i fizykochemicznych ciek┼éych stop├│w Al-Li-Zn, przeprowadzone w oparciu o opracowane w ramach niniejszej pracy parametry oddzia┼éywania tr├│jsk┼éadnikowego ujawni┼éa siln─ů stabilizacj─Ö fazy ciek┼éej stop├│w Al-Li-Zn w obszarze bogatym w Al. Natomiast szczeg├│┼éowa analiza tr├│jwymiarowej struktury ciek┼éych stop├│w tr├│jsk┼éadnikowych, obejmuj─ůca CNA i VA, pozwoli┼éa zaobserwowa─ç zwi─Ökszony udzia┼é uporz─ůdkowania bliskiego zasi─Ögu o charakterze ikozaedrycznym (ISRO), cechuj─ůcego si─Ö pi─Öciokrotn─ů symetri─ů, dla dw├│ch faz mi─Ödzymetalicznych. Analogiczne wnioski zosta┼éy wyci─ůgni─Öte dla badanych stop├│w dwusk┼éadnikowych posiadaj─ůcych w stanie sta┼éym fazy mi─Ödzymetaliczne. Analiza CNA i VA przeprowadzona dla stop├│w dwusk┼éadnikowych umo┼╝liwi┼éa dok┼éadnie scharakteryzowa─ç uporz─ůdkowanie bliskiego zasi─Ögu jak r├│wnie┼╝ pozostaje w zgodno┼Ťci z analiz─ů termodynamiczn─ů i fizykochemiczn─ů. Analogiczne wnioski wynikaj─ů z zbadanej zale┼╝no┼Ťci mi─Ödzy w┼éa┼Ťciwo┼Ťciami transportowymi a struktur─ů badanych ciek┼éych tr├│jsk┼éadnikowych stop├│w.
Przeprowadzone badania w rezultacie da┼éy sp├│jny i dok┼éadny opis fazy ciek┼éej stop├│w Al-Li-Zn w zakresie w┼éa┼Ťciwo┼Ťci fizykochemicznych, termodynamicznych i strukturalnych.

 

Abstract

The knowledge of thermodynamic, physicochemical and structural properties of liquid alloys is crucial for the design of advanced materials like hydrogen storage alloys. Therefore, understanding the relationships between these properties is necessary for the improvement of technological processes such as casting or melting, which for many alloys are difficult to perform. To achieve this, the knowledge of interactions between atoms and their mutual affinity is needed.

The main subject of the research were three liquid ternary Al-Li-Zn alloys of compositions corresponding to three intermetallic phases present in the solid state of the Al-Li-Zn system. Foundation for analysis of the ternary system was laid by the investigation of three constituent binaries: Al-Li, Li-Zn and al-Zn.
This thesis focuses on describing the relationship between structure and thermodynamic, and transport properties of the selected liquid Al-Li-Zn alloys. This relationship was analyzed using a wide variety of experimental and computational methods. Experimental measurements of thermodynamic functions were performed using the galvanic cell method. Physicochemical properties were investigated using the draining crucible method (DC). Within the computational methods applied, classical and ab initio molecular dynamics simulations can be mentioned. Chemical short-range order characteristics was obtained by computing the short-range order parameter from ab initio molecular dynamics results. The topology of local atom arrangement was investigated using the Common Neighbor Analysis (CNA) and Voronoi Analysis (VA). Physicochemical properties analysis was supplemented by the data obtained using semi-empirical models. 

The analyses of thermodynamic and physicochemical properties of liquid Al-Li-Zn alloys, performed using ternary interaction parameters developed within this thesis revealed strong stabilization of the liquid phase in the Al-rich range. Whereas, a detailed analysis of three-dimensional structure of the investigated liquid ternary alloys, including CNA and VA, allowed to observe an increase in icosahedral short-range order (ISRO), displaying five-fold symmetry, for two intermetallic phase compositions. Analogous conclusions were drawn for the investigated binary alloys possessing intermetallic phases in the solid state. CNA and VA analyses allowed to precisely characterize the short-range ordering as well as it was compatible with thermodynamic and physicochemical analyses. Similar conclusions were drawn from the investigation of relationship between transport properties and the structure of the investigated liquid ternary alloys.
The studies performed gave a coherent and detailed description of Al-Li-Zn alloys liquid phase, including physicochemical, thermodynamic and structural properties.

 

Recenzja prof. J. Romanowskiej

Recenzja prof. M. Warzechy