铝锌二元合金的分子动力学模拟及真空蒸馏实验研究

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采用分子动力学方法能够准确地模拟体系的宏观性质,同时又能够获得大量的微观信息,是研究液态金属和合金性质的一种重要的方法。合金熔体的微观结构及其内部的传输性质等随温度的变化对合金的结构和性质产生重要的影响,与合金的分离、提纯精炼等过程密切相关,所以对合金中粒子的结构、扩散和配位等性质的模拟已经成为现今金属精炼和分子动力学所要研究的一个重要问题。针对铝锌二元合金,本文采用从头算分子动力学模拟及分子分子动力学模拟方法模拟了其在不同温度下熔体微观结构、扩散等性质,对该种合金进行了真空蒸馏分离的实验研究。首先采用从头算分子动力学模拟方法对含锌质量百分数为10%的铝锌二元合金进行模拟计算,模拟方法选取了GGA和PBE势函数,模拟铝锌二元合金在不同温度下熔体内部结构和性质的变化,得到了不同温度下合金的径向分布函数、配位数、均方位移、扩散系数及熔体的态密度,通过对同种粒子及异种粒子间的配位数的研究,发现同种粒子间的相互作用较异种粒子间的作用强。模拟结果表明,随着温度的升高,体系内原子间平均距离和扩散系数不断增加,配位数不断降低,使得体系内粒子的热运动不断增强。通过扩散系数随温度的变化规律的研究,得到合金的熔点,所得结果与从相图分析得到的结果较为一致。然后采用分子动力学方法对铝锌合金进行分子动力学模拟研究,模拟过程选取EAM和ME3Organic势函数,模拟了铝锌二元合金在不同温度下熔体内部结构和性质的变化,模拟得到了铝锌合金熔体的对相关函数、配位数、均方位移和扩散系数等。并将这些结果与采用从头算分子动力学得到的模拟结果进行对比分析。可知,在同一温度下,铝锌合金体系中原子间的相互作用强度从强到弱依次为:Zn-Zn,Al-Al, Al-Zn。最后进行铝锌二元合金的真空蒸馏分离提纯的实验研究,论文分析了用真空蒸馏的方法脱除废铝合金中金属锌的可行性。对两种含锌质量分数为10%,12.25%的废铝合金进行了真空蒸馏脱除锌的实验。实验所得结果与理论分析是紧密一致的。本文提出采用真空蒸馏法脱除含锌废铝中的金属锌,为废铝脱锌提供了一个新途径,且对环境友好,不会造成二次污染。
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