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深过冷合金熔体的高温物理性质与结晶过程是空间应用物理领域的重要课题,对其进行系统研究有助于实现合金微观结晶组织和宏观物理性质的主动调控。本文选取Fe–B和Ni–Si金属—非金属体系,以及Ni–Zr和Ni–Sn金属—金属体系,采用静电悬浮和落管等空间模拟实验技术,结合第一原理和分子动力学计算方法,系统地研究二元Ni/Fe基合金的高温物理性质与结晶过程,主要取得以下结果:1.高温合金熔体的静电悬浮稳定性及其主动控制结合理论分析和实验验证,发现电极几何参数是影响静电悬浮稳定性的关键因素,建立了悬浮力的定量表达式,通过优化设计提高了悬浮力和稳定性。采用改进的悬浮前预加热方法,解决了激光加热状态下金属材料的带电和悬浮稳定性问题,实现了熔点超过2000 K的高温合金熔化与结晶过程的主动控制,以及晶体生长速度的准确测定。利用红外高温计和CCD成像法实现了温度和体积等物理量的非接触式测定。2.静电悬浮条件下液态Fe–B和Ni–Zr合金的热物理性质与结晶过程利用静电悬浮技术实现了Fe–B和Ni–Zr合金的深过冷与快速结晶,测定了合金的密度、体膨胀系数和比热等热物理性质,结果随温度线性变化。结晶过程中密度增加约5%,液态体膨胀系数约为固态值的2倍。Ni–Zr合金体系的密度和体膨胀系数随Zr含量的增加而减小,但NiZr2合金的密度和Ni36Zr64合金的体膨胀系数出现反常。在热物理性质测定的基础上,研究了FeB、Fe2B和Ni7Zr2化合物的结晶过程。随着过冷度的增加,FeB和Fe2B晶体的生长速度以幂函数形式增长,且FeB的生长速度大于Fe2B。Ni7Zr2合金的最大过冷度为317 K,晶体生长速度随过冷度的增加以双指数形式变化,最大生长速度为0.45 m s–1,临界过冷度为335 K;超过此过冷度时,由于原子扩散减弱,生长速度下降。落管条件下的对比实验表明,Ni7Zr2晶体在较小的过冷度下具有明显的小面相生长特征,且（001）面生长最慢;而在深过冷条件下,小面相生长被抑制。根据热物理性质的实验结果,分析了化合物的晶体生长动力学特征,表明在深过冷状态下,晶体生长主要受动力学影响。3.自由落体条件下液态Ni–Sn和Ni–Si共晶合金的快速结晶动力学使用落管技术实现了Ni–Sn和Ni–Si共晶合金体系在自由落体条件下的快速结晶。随着过冷度的增加,Ni–14.15at%Sn亚共晶合金的结晶组织显著细化;Ni–19.23at%Sn共晶合金则发生由规则层片共晶到不规则共晶的转变;Ni–21.76at%Sn过共晶合金中的初生Ni3Sn相由粗大枝晶变为细小等轴晶。Ni–18at%Si亚共晶合金的结晶组织中初生相α（Νi）枝晶明显细化;Ni–21.4at%Si共晶以非规则形式生长,但组织细化;而Ni–23at%Si过共晶合金的生长方式和结晶组织均发生改变。基于分子动力学方法计算了合金熔体的焓、比热、密度和扩散系数等热物理性质,发现比热和体膨胀系数随Sn或Si原子含量的变化而有明显改变。结合计算结果和晶体生长理论的分析表明,在小过冷状态下,共晶合金熔体中化合物和固溶体相的生长主要由溶质过冷控制;而在深过冷条件下,动力学过冷对化合物的生长具有明显影响,但对固溶体相的作用很小。4.Ni/Fe基合金的固态物理性质研究采用第一原理方法系统地研究了Fe–B、Ni–Sn和Ni–Si合金体系中稳定和亚稳态金属间化合物的结构、弹性、声子和热力学性质,以及Ni–Sn过饱和固溶体的晶格常数和热膨胀性质。由状态方程拟合能量—体积关系,可准确得到化合物在平衡状态下的体积、能量和体弹模量。Fe–B体系金属间化合物具有较高的弹性常数和硬度,其中FeB2化合物的最大弹性常数超过700 GPa,Vickers硬度达到31.4 GPa,但弹性各向异性非常微弱;Ni–Sn和Ni–Si体系化合物的单晶弹性常数和多晶弹性模量整体上随Sn或Si原子含量的增加而减小。结合准简谐近似下的Debye模型和声子模型,计算了化合物的Gibbs自由能、熵、焓、比热等热力学性质,其中稳定化合物FeB、Fe2B、Ni3Sn、Ni3Sn2和Ni3Sn4的结果与实验或计算相图结果符合很好,该方法可以同时预测亚稳态化合物的热力学性质。基于化合物能量—体积关系的第一原理结果,提出了一种构建合金体系的第二近邻修正嵌入原子方法势函数的新思路。拟合了Ni–Sn和Ni–Si体系的势函数参数,可用于分子动力学等原子尺度模拟,准确预测合金的晶体结构和热力学性质,实现了由电子到原子、分子尺度计算的跨越。对于Ni–Sn过饱和固溶体,实验中获得的最大固溶度为9.2%,过冷度超过200 K。固溶体的晶格常数随Sn原子含量的增加而线性增加,变化率约为0.01?/1at%Sn。晶格畸变主要被限制在第一近邻原子,数值约为4%,而更远处原子的晶格畸变小于1%。Ni3Sn化合物的高、低温固态相变会对相变温度附近的热膨胀产生明显影响,但在相变温度以下,线膨胀系数随Sn原子的变化很小。