冷却速度对液态锌凝固影响的分子动力学模拟

"液态锌凝固过程中的分子动力学模拟研究 (2011年)" 在2011年的一项研究中，邱红臣、张运、杨海和武建军等人利用分子动力学方法深入探讨了液态金属锌在凝固过程中的微观结构变化，特别是在不同冷却速度下的行为。他们采用了Morse势函数来描述锌原子间的相互作用，这是一种广泛应用于模拟金属系统中原子间相互作用的有效模型。 研究的重点在于冷却速率对液态锌微观结构的影响。通过分子动力学模拟，研究人员能够观察到当冷却速率大于2.5×10^12 K/s时，液态锌会形成非晶态结构，而非典型的晶体结构。这种非晶态结构的形成是因为高速冷却使得原子来不及有序排列，从而形成了无定形的结构。另一方面，当冷却速率降低至7.0×10^11 K/s以下时，液态锌经历结晶过程，形成有序的晶格结构。 在分析过程中，研究者运用了几种关键的工具，包括径向分布函数（Radial Distribution Function, RDF），它能够揭示原子间的距离分布规律，从而反映系统的有序程度；能量分析则有助于理解系统能量的变化情况，以及凝固过程中能量的释放和转化；此外，Voronoi多面体结构分析法用于确定每个原子的邻域结构，帮助识别晶体和非晶态结构的特征。 实验结果显示，结晶过程中，冷却速率越慢，锌的结晶转变温度（T1）越高。这表明缓慢冷却给予了更多的机会让原子有足够时间排列成晶格，从而形成更稳定的晶体结构。相反，非晶态转变的过程中，如果冷却速率加快，非晶转变温度（g）也会提高，这意味着快速冷却会促进非晶态结构的形成。 这项工作对于理解和控制液态锌的快速凝固工艺至关重要，比如在钢铁表面的热浸镀锌工艺中，冷却速率的精确控制可以影响锌层的质量和性能。这些发现对于优化制造过程、提升材料性能以及设计新型材料具有深远的意义，并为后续的科学研究提供了理论基础。此外，这项研究也强调了分子动力学模拟在材料科学中的应用价值，尤其是在探究复杂凝固过程中的微观机制。