مدل‏سازی پدیده ذوب سطحی لایه به لایه صفحات کریستالوگرافی فلز مس

نویسندگان

پژوهشگاه مواد و انرژی

چکیده

در تحقیق پیشرو برای بررسی پدیده ذوب سطحی صفحات متفاوت کریستالی فلزات، مدلی ترمودینامیکی در مثال فلز مس ارائه شده است. این مدل دربرگیرنده انرژی‌های سطحی فصل مشترک لایه‌های نازک فلز با گاز، سطح لایه ذوب شده با گاز و فصل مشترک جامد با مایع می‌باشد و در آن تاثیر انرژی سطحی لایه‌ها، تعداد لایه‌ها و نیز جهت‌گیری کریستالی لایه‌های فلزی بر روی استحاله ذوب مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه با اعمال تاثیر انرژی و جهت‌گیری لایه‌های سطحی در تغییر مقدار انرژی آزاد گیبس دو فاز جامد (لایه‌های نازک) و مذاب فلز، دمای استحاله جامد به مایع برای لایه‌های نازک فلز مس محاسبه و تاثیر انرژی‌های سطحی در این پدیده در صفحات (100)، (110) و (111) محاسبه شده است. نتایج محاسبات نه تنها با پیش بینی تئوری‌ها و نتایج آزمایشگاهی مراجع دیگر مطابقت خوبی نشان می‌دهد، بلکه برای اولین بار روند ذوب لایه‌ها به صورت پیوسته از لایه‌های بسیار نازک (زیر nm 10) تا حجم فلز مس به کمک مدل حاضر قابل محاسبه و تحلیل می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

SURFACE MELTING PHENOMENA MODELING OF DIFFERENT CRYSTALLOGRAPHIC PLANES, LAYER BY LAYER FOR COPPER

نویسندگان [English]

  • V. Jahangir
  • R. Riahifar
  • M.S. Yaghmaee
bb
چکیده [English]

In this research, in order to study the surface melting phenomena of metals for different crystallographic planes, we present a thermodynamic model on the example of copper. This model includes interfacial energies of thin layers of solid with gas, surface of melted layers with gas and interface between solid and liquid of metals. Moreover, the effect of surface energy of different planes, number of layers and crystallographic orientation of metallic layers on melting transformation was considered. Therefore, by applying the effect of energy and orientation of surface layers on the variation of Gibbs free energy value of solid phase (thin films) and molten metal, surface melting point for solid thin films has been evaluated. Furthermore the effect of surface energies of (100), (110) and (111) planes has been investigated. The results of our calculations show good agreement with experimental results and other theoretical predictions in literature. By using this model we are also able to calculate and analyze the melting phenomena of metallic thin films layer by layer from some nm scale up to thick (bulk metallic) cases.

کلیدواژه‌ها [English]

  • melting transformation
  • surface melting
  • Gibbs free energy
  • Interfacial energies
  • surface layers
[1] Jiang, Q.,  Wen, H., (2011). “Thermodynamics of Materials”. Berlin: Springer.
[2] Yaghmaee, MS., Shokri,B., (2007). “Effect o size on bulk and surface cohesion energy of metallic nano particles”. Smart Materials and Structures, Vol. 16, pp. 349-354
[3]­Chamaani.A, Marzbanrad.E, Rahimipour.MR, M. Yaghmaee.MS, Aghaei.A, DarvishKamachali.R, YasharBehnamian., (2011). “Thermodynamics and molecular dynamics investigation of possible new critical size for surface and inner cohesive energy of Al nanoparticles”. Nanoparticle Research, Vol. 13, pp.6059-6067
[4] Mei.QS, Lu.K., (2007). “Melting and superheatimg of crystalline solids: from bulk to nanocrystals” Progress in Material Science, Vol. 52, pp. 1175-1262
[5] W.Sutherland, Philos. Mag 32(1891)42
[6] F.A.Lindemann,Z.Phys11(1910)609
[7] Hoss.A., Nold.M., von P.Blanckenhagen, Mayer.O., (1992). “Roughening of surface initiate melting”.  Phys Rev B, Vol. 45, pp. 8714
[8] Hakkinen.H., Mannien.M., (1992). “Coputer Simulation of disorder and premelting of low index faces of copper”. Phys Rev B, Vol. 46, pp.1725
[9] Georgiev.N., Pavlovska.A., Bauer.E., (1995). “Surface disordering without surface roughening”. Phys Rev B, Vol. 52, pp. 2878
[10] Chen Et., Barnet RN., Landman,U,. (1990). Phys Rev B, Vol. 4, pp.1439
[11] Frenken.W.Joost.M,. Van der Veen.JF,. (1985). “Observation of surface melting”. Phys Rev, Vol. 54, Num. 2
[12] Frenken.,W.,Joost., M., Aree.,Peter.,M.,J, and van der Veen.,J.,Friso, (1986). “Observation of surface initiate melting” Phys Rev B Vol. 34, Num. 11
[13] Kaptay.G., Csicsovszki.G., Yaghmaee.MS., (2003). “An absolute scale for the cohesion energy of pure metals”. Materials Science Forum. 414-415, pp.235-240
[14] Frenken JWM., Van der Veen.JF,. (1985). “Dynamics and melting of surface” . Phys Rev Lett, Vol. 134,. Num. 54
[15] Di Tolla FD, Erio T, F.Ercolessi. Conference proceedings, ‘‘Monte Carlo and molecular dynamics of condensed matter systems’’, Vol 49. Bologna: SIF; 1996 [Chapter 14]
[16] Susnik.,J, Sturm.,R, Grum.,J,. (2012). “Influence of Laser Surface Remelting on Al-Si Alloy Properties”, Journal of Mechanical Engineering, Vol. 58, pp. 614-620
[17] Atkins,P,.W,  (2001). “Physical Chemistry”, 6thedn (Oxford:University Press)
[18] Sun.,Ch q, Wang.,Y, Tay,.BK, Li,.S, Huang,.H, Zhang,.Y, (2002). “Correlation between the melting point of nanosolids and the cohesive energy of a surface atom”. J.Phys.Chem.B, Vol. 106, pp. 10701-5
[19] Barin I, (1993). “thermodynamical data of pure substances”, VCH, Weinheim,
[20] Chase,.MW, (1985). “Janaf thermochemical tables”, J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 1,Suppl. 1
[21] Thermodynamic Tables From National Institute of Standards and Technology
http://www.nist.gov/index.html
[22] Yaghmaee.,MS, Riahifar.,R, Jahangir.,V, “Thermodynamics modeling of the surface cohesive energy and interfacial energy (solid-gas) of unary systems for different crystallographic structures and planes”, Project no. 321391002, Materials and Energy Research Center, 1391, Iran
[23] Kaptay.,G, Bader,.E, Bolyan,.L. (2000). “Interfacial faces and energies relevant to production of metal matrix composites”. Material Science Forum 329-330, pp. 151-156
[24] Barentt,.R,.N, Landman,.Uzi, (1991). “Surface premelting of Cu (110)” Phys Rev B Vol. 44, pp. 7
[25] Kojima,.R, Susa,M, (2002). “Surface melting of copper with (100), (110), and (111) orientations in term of molecular dynamics simulation”, High Temperatures - High Pressures, Vol 34(6), pp. 639 – 648
[26]  Kojima,.R, Sato,.T, Susa,.Masahiro, (2001). “Orientation dependence of surface structure change of copper associated with melting”, Thermophys prop, Vol22, pp.452-454